贫燃预混旋流火焰PIV和OH-PLIF瞬态同步测量

为了研究贫燃预混旋流火焰流场与火焰结构特性,设计了强受限预混旋流燃烧器,搭建了PIV(粒子图像测速)和OH-PLIF(平面激光诱导荧光)瞬态同步测量系统。针对典型贫燃工况开展了瞬态同步测量研究,获得了多个截面的瞬态和时均流场速度和OH分布信息。研究表明:低当量比不稳定燃烧工况下,伴随着角涡回火现象,燃烧室底部角落存在明显火焰反应区;由于旋流拉扯效应导致OH分布结构边缘产生褶皱,并出现多个OH“孤岛”;旋流火焰外沿位于喷嘴射流的内侧剪切层;增加当量比,火焰流场结构与反应区分布与低当量比类似,但燃烧更稳定,火焰高度有所增加;内部回流区的经典双涡结构分裂为多个旋涡,存在旋涡进动、破碎的现象。     

不同当量比下氢气体积分数对甲烷-氢混合气预混火焰燃烧不稳定性的影响

在可调振幅的正弦波声场作用下,以甲烷-氢混合气预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在声激励下不同当量比（0.8、1.0、1.2）下氢气体积分数的变化（0、10%、20%）对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明: 对于当量比为0.8和1.0的预混火焰,氢气的加入使得火焰传递函数幅值增大,热释放波动变大,整体火焰的不稳定性增强;对于当量比为1.2的富燃预混火焰,随着氢气体积分数的增加,火焰传递函数幅值先减小后增加,火焰稳定性较强。      

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

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。     

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。     

钝体燃烧器中心射流火焰不稳性机理实验研究

为了设计火焰更加稳定的燃烧器,需要对导致火焰不稳定的机理开展研究.通过在钝体外侧通环形空气流,中心通燃料得到钝体稳燃非预混火焰.借助平面激光测速仪、增强型光电耦合器等测量手段,对两类不稳定火焰——不稳定脱离火焰和分离闪烁火焰的流动和反应区分布进行了测量,分析了导致两类不稳定火焰机理.结果发现,中心燃料和空气雷诺数的相对大小不同的情况,进入回流区内的燃料量的差异,是导致出现不同不稳定火焰模态的重要机制.因此为了得到稳定的钝体燃烧器中心射流火焰,需要合理安排流场使得回流区内燃料浓度合理.     

预混湍流燃烧的level-set小火焰库方法研究

针对燃气涡轮发动机中贫燃预混预蒸发燃烧室,考虑详细化学反应机理,结合Level-set方法与小火焰模型模拟预混火焰,计算了甲烷/空气贫燃预混燃烧的火焰面的位置,并比较了在贫燃条件下各当量比的NO排放值,计算与实验结果吻合较好。      

声激励下旋流钝体火焰的非线性响应实验

在常压条件下对二甲醚贫燃预混旋流钝体火焰施加100 Hz的外加声激励,运用高速OH^*化学发光成像和粒子图像测速锁相同步测量的实验方法,针对不同速度脉动比例下的火焰形态特征和流场特征的动态变化开展可视化测量,得到火焰描述函数。研究发现,随着声波幅值增大,火焰的热释放率将先线性增加,在到达扰动临界点后,火焰出现非线性响应现象,实验中的临界速度脉动比例为16%。同时,通过逆阿贝尔变换和本征正交分解等方法比较了火焰线性响应与非线性响应工况的流场和燃烧场差异,发现在非线性响应工况下火焰形态的涡卷起和流场中的外回流区涡脱落特征增强,这表明外回流区涡脱落增强现象可能是诱发火焰非线性响应的原因。     

旋流器出口结构对旋流火焰的影响研究

为了更深入地理解非预混旋流火焰,采用大涡模拟（LES）耦合PDF燃烧模型,结合OH-PLIF及PIV同步测量实验,综合研究了两种通道结构对非预混旋流火焰模式的影响。结果表明,欧拉随机场PDF方法可以较精确地预测到旋流流场及精细的火焰结构,包括局部熄火。不同的通道结构将显著影响流场结构,由于湍流/化学反应的相互作用,火焰将会出现局部熄火及火焰抬升现象。由于无通道相比于扩张通道的回流区更小,局部熄火现象也更为严重。同时,在恰当当量比下,无通道结构的OH及CH₂O等中间基在低温区分布更为广泛,表明更多的低温化学反应得以进行,为下游抬升火焰的稳定提供了有利条件。     

分层比对分开分层旋流预混火焰结构的影响

为了充分认识分开分层旋流预混火焰的特性,实验研究了分层比（SR）对分开分层旋流预混火焰宏观结构的影响。实验以甲烷为燃料在常温常压下展开,通过改变分层比研究了用CH^*化学发光信号表征的火焰宏观结构的变化,包括稳火方式、焰锋、主释热区等。观察到火焰的稳火方式以及主释热区的位置发生了变化。在角涡回流区、台阶回流区和中心回流区的共同作用下,随着分层比的变化,分别在中心体下游、台阶内外沿和主燃级通道出口外沿存在稳火点,并依此首次提出和以往研究中分层旋流预混火焰相比不同的6种类型分开分层旋流预混火焰模式：Y型、V型、对称D型、多褶型、窄W型和宽W型。结果表明,火焰宏观结构受分层比影响而发生变化,可以用甲烷的富燃、贫燃和可燃极限来解释分层比对火焰宏观结构以及自激振荡的影响。     

钝体改进结构对先进旋涡燃烧室燃烧流动特性影响

为探究先进旋涡燃烧室凹腔稳焰机制,提出了一种后钝体结构改进方案,并对改进后的燃烧室燃烧特性进行了预混和非预混燃烧数值模拟.结果表明:预混燃烧条件下,当量比为0.6和1.0时,钝体改进结构可有效增强凹腔内旋涡流动强度,增加凹腔内温度,同时使温度分布更加均匀.另外,凹腔内温度随预混进气速度增加而增加,且当速度增大到一定值时,温度变化不明显;非预混燃烧条件下,钝体改进结构可改善凹腔内旋涡流动及温度分布,在贫油燃烧状态时,凹腔内仍可维持较高的温度;钝体改进使燃烧室质量更小,具有一定的工程参考意义.     

低排放燃烧室NO_x排放试验及预测方法研究

为了研究中心分级贫油低排放燃烧室的排放特性和排放预测方法,针对一个低排放头部方案,在单头部燃烧室试验件上,在不同的温度、压力、油气比、供油模式和分级比条件下,测量其排放性能。以Lefebvre排放经验预测公式为基础,采用经验分析方法拟合排放试验数据,归纳出适用于本头部方案的排放预测公式。表征预测好坏的判定系数R2在小工况下和大工况下分别为0.95和0.93,表明预测结果与试验结果符合度较好。小工况和大工况排放特性不同,对仅预燃级喷油的小工况工作模式,NO_x排放主要受化学恰当燃烧温度和预燃级局部当量比的影响;对预燃级和主燃级同时喷油的大工况工作模式,NO_x排放主要受燃烧区温度和主燃级燃油比例的影响。     

分级/预混合预蒸发贫油燃烧低污染方案NOX排放初步研究

对分级/贫油预混合预蒸发低污染燃烧方案的氮氧化物排放进行了初步试验研究,主要目的是考察贫油预混合预蒸发级降低污染排放的能力。预燃级是常规双涡流器空气雾化喷嘴,主燃级是空气雾化喷嘴雾化燃油,配装蒸发管,头部涡流器组织燃烧。燃油为RP-3航空煤油。采用单头部燃烧室,工况模拟了燃烧室进口温度(800K)、进口速度和总油气比,压力为常压。研究结果表明,旋流式贫油预混合预蒸发燃烧的主燃级有降低氮氧化物的潜力,相对于常规燃烧组织方式,能够降低NO_X排放量为60%,同时发现,燃油分级比例对NO_X降低也有很大影响。      

单通道内燃波转子燃烧性能实验

建立简化单通道内燃波转子系统,以连续热射流的点火方式,采用实验方法研究了点火位置,射流作用时间,初始预混气当量油气比对波转子通道内点火及燃烧性能的影响.结果表明:随着射流逐渐推近,喷管出口距波转子通道38mm附近时,对点火不利,但点火位置对火焰锋面发展影响不大;在不同当量油气比下,射流作用时间对波转子通道内燃烧过程压力增益具有不同的影响规律,同时火焰锋面倾斜角随着射流作用时间增加而有所减小;当量油气比为2.0时不利于波转子内组织燃烧,且此时火焰锋面出现反向倾斜,倾斜角高达58°.      

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。     

采用flamelet模型分析旋流杯燃烧室近贫油熄火点

针对进口温度388 K不变,不同进气速度下对旋流杯燃烧室常压模化实验得到的贫油熄火油气比数据,采用带有详细化学机理的非预混flamelet燃烧模型进行数值模拟,对近贫油熄火点的局部热态流场进行了分析.结果表明:近贫油熄火点时刻,随着油气比的下降,回流涡旋中心和高温度区分离,回流区内气流温度下降,着火点后移,点火距离增加;进气速度的增加和燃油流量的下降,使得回流区回流量增加,回流涡旋中心两侧温差加大,而着火点更靠后,增加了对这种变化的耐受性.