同心分级旋流结构的动态响应特征

实验探索了LESS(low emissions with stirred swirls)燃烧室头部出口附近的固有流动特征,及其对外界激励的响应.实验结果表明:预燃级旋流区域存在着周期性流动结构,而主燃级出口区域没有周期性流动结构;当外界激励的频率与流动固有频率耦合时,会引起预燃级流场畸变,并导致周期性流动的流速振荡幅值急剧增大.      

边界条件对双级旋流器下游涡量的影响

使用PIV实验和CFD数值模拟的方法研究多个双级旋流器和单个双级旋流器下游的冷态流场,对比分析两种情况下,速度场分布、漩涡结构和涡量的变化规律,获得边界条件对双级旋流器下游漩涡结构的影响规律。PIV实验与CFD数值模拟结果在中心漩涡结构和涡量的变化规律上吻合得较好;单个旋流器情况下,由于旋流器和壁面之间的相互作用形成了两对角涡,多个旋流器情况下,由于旋流器旋流之间的相互作用而形成了一个旋流器边界区域漩涡(边界涡);单个旋流器情况下的中心漩涡涡强在主燃孔射流之前始终低于多个旋流器情况,其中,距离旋流器出口10mm处,数值模拟结果显示单个旋流器中心漩涡涡量是多个旋流器的92.4%,而PIV实验结果显示该值为90.0%;单个旋流器情况下主燃孔射流对中心漩涡的加强作用较多个旋流器更加显著。正是由于不同边界条件下,外围流体处的漩涡结构不同导致了中心漩涡涡量变化规律不同。     

主燃级旋流数对中心分级燃烧室流场的影响

为了研究中心分级燃烧室的流场特性及主燃级旋流器旋流数对中心回流区的影响,采用数值模拟方法对2种不同主燃级旋流数的头部结构下的出口流场开展了对比研究,并进行了试验验证。结果表明:主燃级部分旋流气体与预燃级掺混,参与影响中心回流区的形成;主燃级旋流数的变化对头部流场分布有显著影响。主燃级旋流数减少,使主燃级径向尺寸增加,径向分区明显;使预燃级回流区位置后移,涡心向火焰筒中心靠拢。     

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.      

主燃级喷点数目对回流燃烧室的影响研究

为了研究主燃级周向燃油喷点数目对回流燃烧室NOx排放的影响,采用数值模拟方法对一种带有主燃级多点燃油直接喷射,贫油预混预蒸发头部的回流燃烧室流场进行研究,分析了回流燃烧室的冷态及热态流场特征和主燃级周向燃油喷点数目对NOx排放特性的影响。结果表明：（1）主燃级喷点数目对速度场的影响主要集中在主燃级出口下游,对预燃级出口速度场影响较小;（2）随周向喷点数目增加,油气掺混效果改善,高温区收缩,NOx排放量降低;（3）NOx质量分数分布受速度场和温度场耦合影响,主要集中于预燃级下游的高温低速回流区内。     

Siren(旋笛式)激励系统设计及输出特性研究

设计了用于研究燃烧不稳定性、测量火焰传递函数(FTF)的Siren(旋笛式)激励实验系统。采用实验和数值的方法,研究了测量段进出口压差、脉动气路流量、脉动频率对系统输出特性的影响,并分析了系统的共振模态。结果表明,系统输出平均速度由测量段进出口压差决定,脉动速度u′主要受脉动气路流量m′的影响,且流量越大,脉动速度/平均速度百分比(u′/uˉ)也越大,实验中u′/uˉ最大超过了4%。脉动频率则通过影响旋笛出口压力脉动的分布进而影响速度脉动,而系统共振会导致输出u′/uˉ明显增大,系统共振频率在270Hz附近,此时旋笛出口压力脉动达到最大。     

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。      

大发动机双环腔燃烧室设计及性能分析

对双环腔燃烧室进行优化设计,研究双环腔燃烧室的性能及其污染物排放规律.参考国外某双环腔燃烧室的结构,将其火焰简结构设计为并联式双环腔结构.改变主燃区、预燃区旋流器的结构,优化主燃孔、掺混孔的位置及孔径大小,进行流动、燃烧及排放数值模拟.获得了不同结构双环腔燃烧室的总压恢复系数、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数、污染排放等性能参数.对比分析不同结构双环腔燃烧室的计算结果.结果表明:经过优化后的双环腔燃烧室出口具有更高的总压恢复系数和燃烧效率,更好的温度分布,更低的CO和NOx排放.     

预燃级对TeLESS Ⅱ燃烧室冒烟排放的影响

对不同预燃级结构的TeLESS Ⅱ燃烧室冒烟排放性能进行了研究。通过燃气分析试验方法分别考察了预膜空气雾化喷嘴和离心喷射空气雾化喷嘴在预燃级单独工作和主预燃级同时工作时的冒烟排放。结果表明在预燃级单独工作时,预燃级结构对冒烟排放性能影响较大,而在主预燃级同时工作时影响较小。通过数值模拟对两种预燃级结构在预燃级单独工作时的冒烟排放差异进行了分析,发现预燃级结构改变了燃油在主燃区内的分布,两种方案在主燃区内生成的碳烟前驱物乙炔质量分数和分布位置存在明显差异,最终导致燃烧室出口冒烟排放不同。      

双环预混旋流燃烧室点熄火性能试验研究

为了通过试验方法获得贫油点熄火边界,以双环预混旋流低污染燃烧室为研究对象,分析主燃级径向旋流器的叶片角 度、旋转方向及多斜孔壁火焰筒的冷却孔偏转角等参数对燃烧室点熄火性能的影响。结果表明：主燃级旋流器叶片角度对燃烧室的 点火性能影响不大;火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于旋向相反时的点火性能;预燃级旋 流器与主燃级旋流器旋向相反时,火焰筒冷却孔有偏转角且方向与主燃级旋流器旋向相同时的点火性能优于无偏转角时的点火性 能,旋向相同时,则无明显影响;火焰筒冷却孔无偏转角时,预燃级旋流器与主燃级旋流器旋向相反的贫油熄火性能优于旋向相同 时的贫油熄火性能。     

Precessing motion in stratified radial swirl flow

Vortex/flame interaction is an important mechanism for unsteady combustion in a swirl combustion system. Technology of low emission stirred swirl(Te LESS), which is characterized with stratified swirl flow, has been developed in Beihang University to reduce NOXemission. However,large-scale flow structure would be induced in strong swirl flow. Experiments and computational fluid dynamics(CFD) simulation were carried out to investigate the unsteady flow feature and its mechanism in Te LESS combustor. Hotwire was firstly applied to testing the unsteady flow feature and a distinct mode with 2244 Hz oscillation frequency occurred at the pilot swirl outlet.The flow mode amplitude decayed convectively. Large eddy simulation(LES) was then applied to predicting this flow mode and know about its mechanism. The deviation of mode prediction compared with hotwire test was 0.8%. The spiral isobaric structure in pilot flow passage indicates that precessing vortex core(PVC) existed. The velocity spectrum and phase lag analysis suggest that the periodic movement at the pilot outlet was dominated by precessing movement. Negative tangential momentum gradient reflects that the swirl flow was unstable. Another phenomenon was found out that the PVC movement was intermittently rotated along the symmetric axis.     

Effect of boundary conditions on downstream vorticity from counter-rotating swirlers

Particle image velocimetry(PIV) is utilized to measure the non-reacting flow field in a reflow combustor with multiple and single swirlers. The velocity field, vortex structure and total vorticity levels are experimentally obtained using two different boundary conditions, representing a single confined swirler and multiple swirlers in an annular combustor. The influence of the boundary conditions on the flow field at several locations downstream of the swirlers is experimentally investigated, showing that the central vortex in the multi-swirler case is more concentrated than in the single-swirler case. The vorticity of the central vortex and average cross-sectional vorticity are relatively low at the swirler outlet in both cases. Both of these statistics gradually increase to the maximum values near 20 mm downstream of the swirler outlet, and subsequently decrease. It is also found that the central vortex in the multi-swirler case is consistently greater than the single-swirler case. These results demonstrate the critical influence of boundary conditions on flow characteristic of swirling flow, providing insight into the difference of the experiments on testbed combustor and the full-scale annular combustors.     

双级轴向旋流器气量分配对流场特性影响的数值模拟与试验验证

为了探究双级轴向旋流器气量分配对流场特性的影响,对相同进口条件下不同旋流器流场特性进行数值模拟,并结合流量特性试验和粒子图像测速仪流场试验进行验证。结果表明:当第1、2级旋流器气量比由0.32增大到1.48时,旋流器下游轴向、径向速度降低,气流扩张角、回流区宽度以及回流率均减小;不同气量分配的第1、2级旋流在文氏管出口与套筒出口之间剧烈掺混,经过套筒出口后,旋流数均小于0.4;在相同的结构形式下,不同气量分配的双级旋流器通过改变第1、2级旋流器在文氏管出口处的旋流数,进而改变了第1、2级旋流相互掺混的强度,并最终影响了下游流场。     

中心分级燃烧室耦合回流区贫油熄火机理

针对中心分级模型燃烧室开展了常压贫油熄火试验和慢车状态贫油熄火试验,并结合贫油熄火时的主/预燃级耦合回流区流场数值模拟分析了该燃烧室的贫油熄火机理.结果表明:与常规燃烧室的贫油熄火机理不同,中心分级燃烧室的贫油熄火油气比是由预燃级和主燃级共同形成的耦合回流区所决定的.耦合回流区的回流量主要由主燃级回流主导,在该研究的中心分级燃烧室结构下,回流区从主燃级卷吸的气量是预燃级本身气量的4.3倍,导致按预燃级气量计算的熄火当量比达到2~2.5,远高于常规燃烧室头部的熄火当量比0.4~0.5.      

基于CFD分析改进三旋流燃烧室头部设计

利用FLUENT,对一多级旋流燃烧室的冷态单相流场进行了数值模拟,基于该流场结果,对该燃烧室头部控制油雾混合的三级涡流器唇口处进行了改进设计。并对两种方案的燃烧室在相同试验条件下进行了贫油熄火油气比、大功率工作时的冒烟指数进行了实验研究。对方案1燃烧室单相冷态流场的结果表明,该燃烧室内部流场和预想的流动组织有较大差别,三级旋流器出口的气流,迅速向径向流去,主燃区的回流区结构不明显,且二级旋流出口和三级旋流出口之间有小回流区。该流场结构解释了方案1燃烧室有很好的贫油熄火性能,但是冒烟指数较高。方案2燃烧室的流场结构,改变了三级旋流出口气流方向,消除了与二级旋流器之间的小回流区。方案2燃烧室在与方案1燃烧室相同试验条件下的实验结果表明,贫油熄火油气比性能下降了7.3%,但发动机大功率时冒烟排放指数改善了29.4%。基于数值分析的燃烧室设计,使燃烧室扩大稳定工作范围的研究取得了进展。     

单级跨音压气机整圈三维动静叶干涉的数值模拟

本文使用商业软件FLUENT,对某单级跨音压气机的整圈三维非定常动静叶干涉流场进行了数值模拟,计算并比较了拉开动静叶轴向间隙和正常轴向间隙情况下的不同流动状况。非定常整圈三维计算的结果模拟了清晰的动静叶干涉图像,并显示了静叶三个连续通道出口流量的周期性变化和滞后现象,表明可以利用成熟的CFD商业软件研究叶轮机械内部的复杂物理现象。     

基于随机粒子追踪方法的环形燃烧室点火动态模拟

为了深入研究低排放燃烧室点火联焰规律,在全新的环形模型燃烧室中开展了点火模拟和试验研究。点火模拟采用随机粒子追踪方法,能够基于时均冷态流场的仿真结果快速模拟火焰传播过程。环形燃烧室包含16个中心分级旋流器,仅向预燃级通入丙烷,用于模拟航空发动机低排放燃烧室点火状态下的空气燃油分级。试验采用PIV技术测量3个头部区域流场,利用高速相机拍摄火焰CH*/C2*基团化学发光信号。对多个流量和当量比条件下的联焰过程、联焰时间和传焰速率进行了分析,试验和模拟的结果均表明：环形燃烧室内火焰双向传播,燃烧室内外环流速度差异导致了双向火焰传播速度差,传焰速率随燃烧室湍流速度和当量比的增加而增加。点火模型很好地捕捉了环形燃烧室点火动态,所得传焰速率也符合湍流火焰传播规律,表明该模型具有较强预测能力。     

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。     

某涡轮级三维流场非定常数值研究

基于耦合Lantry-Menter转捩模型的SST(Shear stress transport)湍流模型,对某涡轮级在3个雷诺数工况下的全三维流场分别进行了定常、非定常数值模拟,目的在于对比分析两种计算方法所得结果之间的差异。计算结果表明,进口雷诺数为4×104时和5×105时,定常与非定常计算的涡轮级效率的差异较大,最大相差0.6个百分点,而当雷诺数为8×104时,两者差异很小;非定常计算能够较好的模拟叶尖泄漏涡的发展过程、低雷诺数下上游尾迹与下游转子叶片吸力面分离边界层干涉诱导卷起涡的形成、输运及其所导致的叶片吸力面表面压力大幅波动等非定常流动现象。最后,给出了转子出口截面上周向与径向的非定常压力脉动的分布,为基于Lighthill声类比方法的计算气动声学研究奠定了基础。     

APU舱引射排液出口速度的估算方法

APU舱引射排液是一种复杂的气液两相流混合过程。通过假设,获得了一种APU舱引射排液装置出口液体排放速度的一维估算方法,并根据该方法计算了地面和空中典型姿态下APU舱排液管出口的液体排放速度,这些计算结果可作为全机级APU舱排液路径数值模拟的输入条件。计算结果表明,引射排液可以有效增加排液管出口液体排放速度,而且APU舱排液管出口液体排放速度与飞行高度成反比。