航空发动机超短环漩流燃烧设想

沈阳航空工业学院陈正举老师提出了“超短环漩流燃烧概念”。这是一种基于漩流燃烧理论的新设想,从理论上看是可行的。其主要工作机理是将轴流式叶轮压气机兼作高漩数的强漩流发生器。利用其强离心力场大切向分速度,可充分发挥漩流的高火焰传播速度和强回流特点组织燃烧(见下图)。 如果得以实现,不但可提高燃烧效率,而且具有低油耗、低发散、低噪声等特点,可使航空发动机增推、节油、减重。显然,它能够提高航空发动机总体性能,对未来的更高性能的发     

低压条件下复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率研究

对低压(常压或低于常压)条件下航空发动机燃烧室的燃烧效率作了初步的研究,主要目的是研究复合式多级旋流杯燃烧室燃烧效率的改进。复合式多级旋流杯组织方案由离心雾化和旋流杯空气雾化组成,采用双油路,副油路为小流量离心喷嘴,主油路为直射式喷嘴匹配空气雾化,头部采用三级涡流器组织燃烧。燃油采用RP-3航空煤油。使用单头部燃烧室为试验件,在常压和低压状态下,模拟燃烧室进口速度和总油气比。燃烧效率采用燃气分析法,用效率分析仪进行测量。研究结果表明,复合式多级漩流杯燃烧组织方案能改善低压下的燃烧,提高燃烧效率。      

脉冲纹影技术及其在超声速燃烧室流场显示中的应用

超声速燃烧室内部流场具有流速快、温度高、背景光辐射强等特点,其流场显示较为困难.为此设计了一套脉冲纹影系统,该系统通过缩短曝光时间来冻结流场;另一方面,利用脉冲火花光源在短曝光时间内脉冲放电能量远高于燃烧室背景辐射能量的特点,有效消除了燃烧室背景辐射的影响.利用该系统对马赫数3.0的超临界煤油燃烧流场结构进行研究,得到了超临界煤油燃烧过程的清晰流场结构图像及其演化过程.     

冲压发动机高硅氧/酚醛燃烧室热防护层实验研究

高硅氧/酚醛树脂基复合材料具有成型工艺简单和成本低的特点,被广泛地应作固体火箭发动机的防热材料.为了探索高硅氧/酚醛树脂基复合材料应用于冲压发动机燃烧室被动热防护结构,对高硅氧/酚醛树脂基复合材料大尺度冲压发动机燃烧室热防护层进行了实验研究.研究结果表明,冲压发动机燃烧室热防护层能工作到300s,高硅氧/酚醛热防护层能够适应其恶劣的工作环境要求.同时,通过实验研究也表明,更长工作时间之后,由于冲压发动机燃烧室工作温度的不均匀,导致酚醛树脂基体的分解与增强的高硅氧纤维熔融不同步,且热解、碳化后的形态和性能都会发生较大的变化,由此会导致其尺寸收缩、力学性能降低、导热系数增加,更长时间工作容易产生裂纹、分层等问题.针对这些问题,提出了进一步研究的建议.本项研究对于发展成型工艺简单和成本低的冲压发动机燃烧室热防护结构具有重要的价值.     

冲压发动机驻涡燃烧室模型方案数值模拟研究

为探索适用于高推重比发动机的高性能燃烧室,在一种冲压发动机特定结构应用背景条件下,设计了一种驻涡燃烧室（Trapped-Vortex Combustor,简称TVC）技术应用模型方案,并对其进行了冷态流场数值模拟,对包括驻涡区长宽比、驻涡区长度、驻涡区进口导流结构形式、主流钝体与联焰板的结构形式与参数的影响进行了分析,探索TVC燃烧室方案在冲压发动机上的应用可行性。从三维冷态流场数值模拟结果来看,燃烧室模型方案内部形成了设计的涡系结构,能够实现初步的组织燃烧。通过不同设计参数的计算模拟,摸索出驻涡区高度、驻涡区宽高比等参数对燃烧室内部流场影响的规律。研究结果表明驻涡区宽高比控制在1.0左右驻涡区涡系结构最好,有利于组织燃烧。     

整流支板和火焰稳定器的一体化设计及性能分析

针对航空发动机高推质比、高隐身的需求,提出一种加力燃烧室整流支板和火焰稳定器一体化设计的方法,并开展了相关模型加力燃烧室的计算和试验研究.研究结果表明:采用一体化设计加力燃烧室,能够缩短加力燃烧室长度,大幅降低非加力状态的冷态流阻,明显改善发动机加力燃烧室的性能,提高发动机的推质比.可为解决高推质比、高隐身发动机技术提供了一种新的思路和研究方向.      

基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高 精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备 试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡 模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高 温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机 燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种 经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。     

高温升多旋流燃烧室的数值分析

为了探索高推重比航空发动机可能用到的燃烧组织方式,基于燃烧室空气分级技术,对高温升多旋流燃烧室展开研究。在保证与某型单环腔燃烧室(SAC)扩压器尺寸、外机匣最大直径及燃烧室出口尺寸和边界条件等相同的基础上,对设计模型进行3维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果和试验结果进行对比分析。研究结果表明:在设计油气比为0.037的情况下,采用多旋流的设计方案,温升达到1153 K,出口温度分布系数达到0.170,同时可获得理想的性能参数,满足高温升燃烧室的设计指标。     

高油气比燃烧技术工程应用与发展分析

为了从工程应用的角度分析战斗机航空发动机主燃烧室设计技术的发展,对比分析了主燃烧室温升随航空发动机推重 比提高的趋势,着重分析高油气比主燃烧室工程研制亟需解决的基本技术矛盾和可采用的技术途径,展望了高油气比主燃烧室技 术发展的趋势。同时基于解决高油气比主燃烧室研发基本矛盾的技术思路,重点回顾了多级旋流燃烧、中心分级燃烧、驻涡燃烧 和可变几何燃烧等潜在的燃烧组织方案在工程应用和技术发展的现状,通过分析表明采用较为常规的旋流燃烧组织模式,通过改 变燃烧室流量分配,增加头部燃烧空气量而实现高油气比燃烧的多级旋流和中心分级燃烧室方案具有良好的工程适用性,而如驻 涡和变几何燃烧等新型燃烧组织方案虽然具有良好的应用前景,但因其结构和控制的复杂性,暂时尚无法在工程中实现应用。     

旋转爆轰燃烧室结构及稳定性研究

基于二维可压欧拉方程,对充有当量比为1的氢气/空气预混气的不同结构燃烧室进行数值计算。研究了爆轰波在不同坡度燃烧室内的传播过程,分析了燃烧室内不同波头数目对其性能的影响。研究表明:在燃烧室入口端采用适当的楔形结构,有助于提高沿单一方向传播的爆轰波的强度,提高燃烧室做功能力;当燃烧室周向尺寸较大时,同时起爆双波头有助于提高其工作的稳定性。     

弱旋流燃烧器燃料/空气预混均匀性研究

实施贫预混燃烧技术的关键是保证燃料与氧化剂的均匀混合,避免在燃烧时形成局部高温点而导致NOx排放增加。本文针对弱旋流燃烧器设计了甲烷/空气预混方案,首先通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性,然后对当量比为0.7的预混气体进行数值模拟,分析了燃料喷射孔和弱旋流流场特性对掺混的影响机制。结果表明：喷射孔径影响燃料的初始分布,很大程度上决定了在有限空间内可以达到的最终混合效果,对给出的预混结构,存在最佳当量孔径b=0.01及对应的平均动量通量比 J =75.59,使混合效果最优。弱旋流流场由中心直流通量和外环旋流通量共同作用,其中旋流对燃料扩散起主导作用。在保证弱旋流特性的前提下,通过增大孔板阻塞比或旋流叶片几何角的方式能够强化旋流作用,从而提高预混均匀性。     

双级轴向旋流器性能评估方法（一）——综合旋流强度的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。发展建立了一种多级旋流器性能评估方法,提出了综合旋流强度和能量利用率两个准则数来对旋流器性能进行评估,研究发现,旋流强度和流阻系数是影响旋流器能量利用率的主要因素。采用数值方法研究了双级旋流之间的相互作用机理,结果表明:双级旋流器之间,一级旋流强度对回流区宽度影响较大;综合旋流强度是影响燃烧室整体性能的直接因素;当综合旋流强度小于0.43时,为弱旋流;综合旋流强度介于0.43～0.6之间时,为中等旋流,有十分弱小的回流区;当综合旋流强度大于0.6时,呈强旋流,一定会有回流区出现;当综合旋流强度大于1.03时,为非常强的旋流;综合旋流强度一定时,双级旋流能够增加收益,能量利用较好。通过与实验及数值结果比较发现,该多级旋流器性能评估方法能够对旋流器性能进行准确评估,为未来多级旋流器的设计与性能评估提供了一种实用有效的方法。      

旋流器特征参数对高温升燃烧室性能的影响

利用数值模拟方法考察了3级旋流器特征参数(旋向组合、旋流数)对提出的中心分级燃烧室燃烧性能的影响。对12种不同的方案进行了比较,选出了最优的3级旋流器匹配方案。计算结果表明:3级旋流器的特征参数对燃烧室流场结构和燃烧性能有很大影响;合理的旋流器旋向组合和旋流数是提高燃烧室性能的关键因素。3级旋流器旋向组合为第1、2级反向,第2、3级同向,旋流角度组合为第1级40°,第2、3级均为45°时,燃烧室可以达到最佳的燃烧效果。     

Film cooling performance and flow structure of single-hole and double-holes with swirling jet

This paper presents the results of a numerical study of the effects of swirling flow in coolant jets on film cooling performance. Some combined-hole designs with swirling coolant flow entering the delivery hole are proposed and analyzed. Adiabatic film cooling effectiveness values for cases with various blowing ratios are compared. Detailed flow structures and underlying mechanisms are discussed. The results show that film cooling effectiveness is improved with jet swirl at high blowing ratios, ...     

方柱-强旋组合旋涡脱落机制研究

强旋流和钝体绕流均可构造低速回流区以利于高速气体稳定燃烧,本文通过在钝体中心开孔通入旋流气体模拟研究了旋流流动对钝体绕流旋涡脱落的影响规律。计算结果表明,在旋流作用下,钝体绕流涡脱规律更加复杂,涡脱由上下边界层失稳主导变为由旋流管中的旋流涡主导,并且形成的涡尺度增大,在脱落过程中会由于旋涡的破碎产生"点潭"以增强周围涡强度。同时,柱体涡和旋流涡的相互作用可以减小流动阻力,增加回流区长度和回流质量流量,从而强化传热传质,起到强化燃烧增加燃烧稳定性的效果。     

Effects of swirler position on flame response and combustion instabilities

This study is concerned with the experimental and theoretical investigation of the combustion instabilities in a premixed swirl combustor. It is focused on the effects of the swirl mixing distance on the intrinsic thermoacoustic mode. The swirler as an origin of the swirling flow is also the source of the flow disturbance, which has effects on the flame response. The location of the swirler is varied in the experiment to study the effect on combustion instabilities and flame transfer functions. ...     

A model of unsteady swirl flow for calculation of gas exchange in piston internal combustion engines

A model of an unsteady gas mixture flow in the gas-air flow duct and a method for the numerical solution of the model equations are presented; the flow in this case being considered in one-dimensional approximation with regard to swirling. The calculation of processes in the gas-air flow duct with the use of this model makes it possible to evaluate the magnitude of charge swirling in the ICE combustion chamber and interpret the data of experiments performed on the engine equipped with a flow swirl generating injection system.     

Particle deposition patterns on high-pressure turbine vanes with aggressive inlet swirl

Characteristics of particle migration and deposition were numerically investigated in presence of aggressive swirl at the turbine inlet. The isolated effects of the inlet swirl were considered in detail by shifting the circumferential position of the swirl and by implementing positive and negative swirling directions. Particles were released from the turbine inlet and the resulting deposition on the vanes was determined by using the critical velocity model in a range of particle diameters from 1...     

NUMERICAL STUDY OF TURBULENT SWIRLING FLOW IN COMBUSTOR

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＴＵＤＹＯＦＴＵＲＢＵＬＥＮＴＳＷＩＲＬＩＮＧＦＬＯＷＩＮＣＯＭＢＵＳＴＯＲＦｕＳｏｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，１０００...     

The influence of inlet swirl intensity and hot-streak on aerodynamics and thermal characteristics of a high pressure turbine vane

In modern gas turbines, the High Pressure Turbine (HPT) is exposed to an extreme thermal environment due to the burned gases leaving the combustor. The burned gases are characterized by flow and temperature distortions that effect the aerodynamics and heat transfer of the turbine. The purpose of this paper is to investigate numerically the effect of the intensity of the swirling flow combined with the temperature non-uniformity “Hot-Streak” (H-S) on the aerothermal performances of a HPT Nozzle Guide Vane (NGV). The investigations are conducted on the solid untwisted NGV annular cascade developed in NASA Lewis Research Center. Four swirl intensities (|S_n| = 0, 0.1, 0.25 and 0.5), two swirl orientations (positive and negative) and two hot-streaks (rounded and radial) at the NGV inlet are considered. The simulations are done by solving the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations using ANSYS-CFX software. The results show that the H-S with swirl undergoes twisting following the orientation of the swirl. The H-S twist is aggressive under positive swirl compared to the negative swirl case. The inlet swirl generates a new secondary flow structure, so called Swirl Vortex (SV), which induces more aerodynamic losses. The aerodynamic efficiency under negative swirl found to be higher than that under positive swirl. The maximum temperature on the vane surface is controlled by the radial transport of the SV towards the endwalls.