旋流喷射器流动与燃烧特性研究

为了给低旋流喷射器(LSI)推广应用提供理论依据,自行设计具有两种旋流叶片角LSI。应用数值模拟方法确定不同LSI旋流数,旋流数范围为0.417~0.881。利用粒子成像测速(PIV)测试系统,对流通气流LSI在方形通道内展向平面和铅垂截面二维速度分布进行测试。对开放空间内低旋流喷嘴,流通甲烷气体和空气预混合燃烧特性进行实验研究。研究结果表明:当叶片角θ=37°,旋流数S≤0.576时,旋流诱导中心区域和周围空气旋转,形成具有中心区域和周围空气低速区域、中心低速区域分布特点的扩散流动。当叶片角θ=37°,甲烷和空气当量比φ=0.7,S≤0.576时,流通LSI气流产生与展向截面流场分布相似的中部凸起呈"W"型脱体蓝色火焰。随着旋流数S增加,在0.576≤S≤0.588范围内,火焰与喷口间的距离缩短,火焰转变为"扫帚"型火焰。当S=0.623时,形成高旋流贴体火焰。增大旋流叶片角,流场的扩张角增加,环形旋流区和中心直流区轴向速度沿中心轴衰减更快。     

带收敛出口的单元贫油直喷燃烧室冷态和热态流动特性研究

为了研究贫油直喷燃烧室的流动特性,提出了带有收敛出口的单元贫油直喷燃烧室模型,采用数值模拟方法研究了旋流角度分别为35°,38°,40°和45°共四种模型在冷态和热态条件下的流动特性,获得了旋流角度和燃烧释热对旋流器收敛出口截面速度分布、旋流数和下游中心回流区形态的影响规律。结果表明:在冷态条件下,随着叶片角度的增加,旋流器收敛出口截面的速度分布从"内高外低"型转变为"外高内低"型,并且"外高内低"型的速度分布更有利于形成回流区;除35°旋流角以外,其他模型都能形成驻定的中心回流区。在热态条件下,燃烧释热对弱旋流流动的影响十分明显,35°旋流角收敛出口速度分布由"内高外低"型转变为"外高内低"型,在其下游形成了驻定的中心回流区,说明燃烧释热可以促进旋流流动向涡破碎方向发展;燃烧释热对冷态下已形成回流区的流动影响不大,但气体的膨胀加速会加快燃烧室内部逆压梯度的消失,导致热态回流区尺寸和长度略小于冷态回流区。     

主燃级旋流数影响三级旋流燃烧室流动与燃烧特性试验

为了研究主燃级旋流数对三级旋流燃烧室内的流动、燃烧特性,设计了两种不同主燃级旋流数的旋流器,通过粒子图像测速仪(PIV)与火焰自发辐射手段得到了燃烧室的流场和火焰结构。研究结果表明:主燃级旋流数的改变对出口流动以及点熄火极限油气比影响较大,主燃级旋流数增加使回流涡心位置向中心和上游靠近,中心回流区高度增加,出口涡量强度降低,下游中心回流区内侧的回流速度,湍流强度增加,火焰结构对称,成功点火时间减少,主燃级旋流数为0.8的点火极限油气比较主燃级旋流数为0.7在进口流量为200、250、300、350 m3/h各工况对应增加了48%、41%、26%、24%,熄火极限油气比各工况均增加30%以上。燃烧时,火焰呈一定的“V”型张角向外燃烧。点火时,火焰沿着中心回流区边界向内侧发展。      

双旋流燃烧室主燃区流动特性PIV测量和分析

针对采用斜切径向双级旋流器的环形燃烧室单头部矩形模型,利用非接触式测量方法粒子成像测速仪(PIV)测量了主燃区的300K冷态速度场。采用Realizableκ-?湍流模型和稳态层流火焰面燃烧模型对燃烧室的冷流和燃烧流场进行数值模拟,得到燃烧室流场的速度分布和流场结构,并与试验测量数据进行对比验证。结果表明:瞬态流场结构变化剧烈,旋流和主燃射流的边界形成大量小尺度漩涡结构,回流区具有强烈的搅拌作用,回流区下游滞止点位置是随机变化的;反向旋流器比同向旋流器产生的回流区尺寸更小,燃烧状态的回流区尺寸比冷流的小,但主要受火焰筒壁面和主燃射流的约束;外旋流在距离头部5mm距离内控制内旋流,保持旋向相同;燃烧增大主燃射流穿透深度,改变流场的对称性。     

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。     

试验研究旋流数对燃烧室气动性能的影响

为了深入了解双级轴向旋流器的旋流数变化对模型环形燃烧室内气流结构与气动性能的影响,采用粒子图像速度仪(PIV)对燃烧室内冷态和液雾燃烧流场进行测量,试验研究在冷、热态情况下不同旋流数对模型燃烧室内回流区的尺寸、平均速度(u,v)、脉动速度(U<,rms>,V<,rms>)以及雷诺剪切应力u'v'分布的影响.研究结果表明...     

弱旋流对LPP燃烧室下游流场影响的数值研究

为了解弱旋流燃烧下游的流场特性及其对贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室的影响,采用数值模拟方法,对6种不同旋流器流道特征的弱旋流燃烧室三维冷态流场进行数值模拟。结果表明,旋流器流道特征对下游流场特性产生较大影响,不同叶片通道的旋流器下游中心回流区的形状、尺度、速度梯度和全流场速度分布均呈现出不同特征。主模旋流器旋流数低于0.51时,中心回流区基本相同且尺度较小,主要由副模旋流控制;主模旋流器旋流数增至0.59时,旋流器下游形成了由主模旋流控制的更大的中心回流区。     

外旋流器旋流数对三级旋流流场特性的影响

采用二维粒子图像测速(2D-PIV)流场测试技术,试验研究了相同进口条件下多种旋流数组合旋流器出口冷态流场,分析比较了外级旋流器旋流数对流场结构的影响.研究结果表明:外级旋流器旋流强弱并不是回流区形成的主要决定因素;随着外级旋流器旋流数的增加,涡心有向前及向外移动的趋势,其回流区轴向长度逐渐变长,最大回流速度逐渐减小;回流区形状同时受外级旋流器旋流数及内级旋流器旋流数的影响,当外级旋流器旋流数相对内级旋流器旋流数足够大时,较易出现尾迹区;在旋流器出口附近,外级旋流器旋流数较小时旋流器组合流场的湍流强度峰值较大.      

基于PaSR模型的低旋流燃烧大涡模拟

为了深入理解低旋流流场特征和燃烧稳定性,基于OpenFOAM平台,采用动态k方程模型和有限速率PaSR模型对甲烷/空气预混低旋流燃烧进行了大涡模拟,研究了气流入口速度、当量比和压力等流场参数对流场结构和燃烧非稳态特性的影响,分析了流场大尺度结构与火焰相互作用。结果表明,流场结构和火焰抬升高度受入口速度影响较小,流场和火焰形态能够保持自相似性;随着当量比和压力提高,流场扩张性增强并在燃烧区下游产生回流区,火焰稳定不依赖回流区,根部火焰锋面形状由U形转变为W形,火焰抬升高度降低。火焰锋面稳定在剪切层,剪切层产生的周期性有序涡结构引起当地流场速度脉动和火焰表面褶皱,反映了流场非稳态特性;通过剪切层监测点瞬时轴向速度分析,涡结构特征频率随速度增大而提高,由250Hz提高至300Hz,随当量比和压力提高而降低,由250Hz降低至125Hz。     

三级旋流燃烧室流动和点火过程中火焰传播特性

为了研究三级旋流燃烧室的流动以及预燃级煤油非预混燃烧特性,设计了三级旋流燃烧室结构方案与光学非接触测量方案,研究了总压损失与当量比对三级旋流燃烧室流动特性及火焰结构的作用和油气参数对点火过程中火焰特征结构与特征时间的影响规律。研究结果表明：在高速气流碰壁区存在内、外剪切层,剪切层的无量纲高度随总压损失变化较小,剪切强度随总压损失增大而增大;火焰结构随着当量比变化存在“V”型火焰、过渡火焰以及包络火焰三种形态,过渡当量比约在0.6左右;热态回流区扩张段扩张角度随总压损失的增大而增大,随着当量比先减小后增大;点火过程中存在大尺度火焰的熄灭与复燃,复燃火焰从回流涡附近以三维螺旋方式回传;点火过程中,随总压损失的增大,火核生成时间增大,火焰传播时间减小,熄火复燃时间减小;随当量比增大,火核生成时间增加,火焰传播时间先增大后减小,熄火复燃时间减小。     

低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。     

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究---“两机”专刊

为深入研究分级旋流火焰特性,本文以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(FSR)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了大涡模拟(WMLES)研究。结果表明：燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。     

旋流器后火焰流场的试验研究

 本文给出了用LDA测量旋流器后火焰流场的试验研究结果。试验表明,中心开孔的平底碟形火焰稳定器后方形成双回流区,湍流脉动的均方根速度在回流区边界区域上发生突变,且湍流脉动速度的概率密度分布图上存在双峰;用热电偶测出的温度分布表明内外两支火焰在双回流区的内外边界附近开始,并向下游伸展。试验结果为应用旋流器燃烧室性能改进提供了依据,也为发展带回流的湍流反应流数值计算方法提供了验证依据。     

不同结构多点喷射燃烧室冷态流场研究

用数值模拟的方法对旋流数、文氏管间距、扩压器与头部的间距等多点喷射燃烧室设计中的关键参数进行研究,来获取它们对多点喷射燃烧室回流区的影响规律.结果表明:旋流数由0.82提高到1.24,回流区最大负速度和长度分别增加了52%和34%,最大负速度随旋流器叶片安装角是线性变化的;文氏管间距由0增加到0.4倍的文氏管出口直径时,回流区半径增加了33%,长度增加了43%;增大扩压器出口面积和头部与扩压器间距有利于旋流器之间流量分配均匀.      

低旋流中心分级燃烧室流场特性研究

为了研究新设计的一种低旋流中心分级燃烧室流场特性,采用数值模拟和PIV试验结合的方法,针对其头部两级主副模旋流器的不同组合方案开展了研究。研究表明:低旋流下,单独副模旋流器工作时气流半角22.3°,无法形成回流区,同时,副模气流轴向速度在旋流器出口具有较大的速度衰减特性;回流区的形成是主副模旋流器相互作用的结果,流场呈径向分区特征,中心回流区在内,回流区最大径向尺寸小于主模旋流器外径,主模气流在回流区外,无回流区形成;不同副模旋流数下的流场结构基本一致,随着副模旋流数的增加,中心回流区的径向尺寸增大。     

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。