钝体绕流有旋流中回流区与进动涡核的大涡模拟

针对旋流数为0.57、0.68、0.91和1.59四种工况下的悉尼旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟,选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究不同旋流数下的流场结构、进动频率和进动涡核。模拟结果表明,旋流数为0.68时,钝体回流区长度最短。随着旋流数的增加,中心射流出口的旋流剪切层不断衰减,而下游的旋流剪切层不断增强。功率谱分析表明,进动现象的出现和消失对应于与旋流剪切层的增强和衰减;中心射流与下游区域具有不同的进动频率,表明流场中存在着两个独立的大尺度涡旋结构。不同取值位置的周向速度相关性分析进一步佐证了两个涡旋结构的存在。轴向位置70 mm处的横截面上瞬时流线和压强分布证实了下游流场存在着进动涡核。瞬时压强等值面显示了中心射流出口和下游流场进动涡核的三维螺旋形结构。下游流场的进动涡核均与平均速度场流线在空间上成正交关系,表明进动涡核是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。     

环形旋流燃烧室模型点火过程的实验

在由16个旋流喷嘴组成的透明环形燃烧室实验模型中,对丙烷和空气贫燃混合气的周向点火和火焰传播过程进行了实验研究。通过高速相机记录点火过程的火焰形态和发光强度变化,对比分析了两种点火模式——先通燃气后点火(FFSL)和先点火后通燃气(SFFL)的不同形态特征。FFSL周向点火过程包含拱形火焰面传播,SFFL喷嘴间火焰传播呈现"锯齿形"结构。喷嘴旋流方向的排列会破坏周向火焰传播过程的对称性,使得沿顺时针和逆时针方向火焰面传播速度差别较大。通过对火焰发光强度积分得到热释放率变化曲线,分析统计了不同工况的周向点火时间,结果表明:在相同工况下,SFFL比FFSL大2倍以上;相同当量比下,FFSL和SFFL随着热负荷增加而减小;相同热负荷下,FFSL随当量比增加而减小,而SFFL正好相反。对两种点火模式,流动加速系数均随供气流量增加而增加。     

旋流燃烧室构型对固体燃料冲压发动机自持燃烧性能影响

为研究燃烧室构型对引入旋流的固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃烧特性的影响,通过改变药柱内径以改变相对台阶高度,利用高密度聚乙烯(HDPE)为固体燃料,对4种不同相对台阶高度的冲压发动机进行了旋流和直流连管实验,其中旋流工况的旋流数为0.6。利用Fortran语言编制CFD计算程序,对其中多个旋流工况进行了数值模拟,利用相关实验验证了计算程序的可靠性。仿真以及实验结果表明,在旋流工况下,相对台阶高度对火焰稳定以及燃烧特性有显著影响,当相对台阶高度为1.5时,旋流工况下发动机无法自持燃烧;在1.75相对台阶高度工况下,药柱表面热流密度与燃速均高于其他工况,且药柱平均燃速以及药柱表面热流密度会随相对台阶高度的升高而降低,最终趋于平缓;相对台阶高度的改变对特征速度与推力的作用不大,而在无旋工况下,特征速度和推力则随相对台阶高度的增加而增加。     

单旋流驻涡燃烧室流场结构的数值模拟

为进一步发展低排放、高效燃烧技术,提出了带导流片的单旋流驻涡燃烧室。改变旋流通道轴向长度及旋流器内外径比,数值分析了其内部燃烧湍流流场。结果表明:旋流通道结构参数及旋流器内外径比对总压损失影响较小,而对燃烧效率影响较大。在多种旋流通道结构参数匹配下均实现了低NO_x排放,最佳匹配结构参数为阻塞比BR=0.6,旋流通道长度与燃烧室长度比Z_s/L_c=0.093,旋流器外径R_o=16mm,内外径比R_i/R_o=0.888;当旋流器外径R_o较小或较大时,内外径比R_i/R_o对排放性能影响不大;当Ro适中时,R_i/R_o对排放性能影响很大,NO_x排放随R_i/R_o的增加呈指数型增加。     

喷射压力对同轴旋转射流喷雾锥角影响的实验研究

为了研究同轴旋转射流喷雾锥角的变化规律,设计了喷雾实验装置和同轴旋流喷注器。采用水和乙醇分别代替氧化剂和燃料,利用高速摄影系统对喷雾过程进行观测,分析不同喷射压力下喷雾锥角的变化规律。实验结果表明:内外两路同时喷雾时,喷雾锥角随着外路喷射压力的增加而增大,锥角值从81.6°增加至102.3°;但内路喷射压力增加后,喷雾锥角反而减小,从102.5°降低到94.8°。这个变化规律与单路旋流喷嘴的情况有所不同。将实验结果与通过动量定理推导出的理论公式进行对比,发现喷射压力小于0.2MPa时,实验值与理论公式吻合较好;随着喷射压力的增加,喷孔内液体的湍动能对喷雾锥角的影响逐渐增加,导致实验值与理论公式的偏差逐渐增大,喷射压力增加至0.6MPa时,实验值比理论值大10°左右。实验还研究了内路出口缩进对喷雾锥角的影响,结果显示随内路出口缩进长度的增加,喷雾锥角呈现先减小后增大的变化趋势。     

对涡旋流畸变对单级跨声速压气机性能影响的数值研究

为了评估弯曲进气道中显著的旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,利用CFD技术开展了Stage 35在对涡旋流畸变下的数值仿真,获得了对涡旋流畸变下的压气机特性线和流场分布,并与无畸变和正负整体涡时的情形进行了对比分析。结果表明:对涡旋流畸变会使压气机的性能和稳定裕度降低,且工作点处于同等强度的正负整体涡旋流畸变工作点之间,在90%换算转速和对涡旋流模式P2下,压气机换算流量、压比、温比、效率和稳定裕度的最大降幅分别为8.00%,7.24%,0.98%,9.64%和43.14%。这种影响主要取决于占主导的旋流畸变类型和不同类型旋流畸变对压气机性能参数影响程度的共同作用。同时压气机换算转速和旋流强度越大,压气机性能参数和稳定裕度下降越多。     

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。      

筒形五喷嘴燃烧室冷态时均流场特性实验研究

为深入研究五喷嘴燃烧室的流场特性,采用高频PIV测量方法对燃烧室中心截面的冷态流场开展实验研究,主要分析了燃烧室入口速度以及中心喷嘴旋流强度对五喷嘴燃烧室中心截面的时均流场特征的影响。实验结果表明：中心喷嘴和外侧喷嘴出口均存在主回流区,外侧喷嘴与燃烧室壁面间存在角回流区,相邻喷嘴射流相互干涉。喷嘴旋流强度相同时,入口速度由10 m/s增大到20 m/s,中心喷嘴和外侧喷嘴的回流区形态、主回流区长度、最大回流速度位置和气流合并点位置基本不变。入口速度为14.3 m/s时,中心喷嘴旋流强度由0.63增大到0.84,中心喷嘴回流区长度增大,外侧喷嘴回流区长度不变,主回流区最大回流速度显著增大,且更靠近喷嘴出口,气流合并点径向位置基本不变,轴向位置向喷嘴出口移动。     

3级旋流器各级气量变化对燃烧性能的影响

为了探究中心分级燃烧室各级旋流器叶片数量与相应旋流气量变化对燃烧室性能的影响,基于高推重比和高温升的技术需求,对设计模型进行了除旋流器外分块结构化网格划分,并在ICEM软件中实现混合网格周期性边界条件设置,进行3维数值模拟。结果表明：确定最优方案的3级旋流器叶片数量分别为8、10和15。中心分级燃烧室每级旋流器流通气量随其相应旋流器叶片数量改变呈负相关变化关系;设计油气比为0.045时,中心分级燃烧室最优方案即基准型方案的温升可达1300 K,出口温度分布系数OTDF达到0.13,在性能所要求的0.10～0.15之间,出口径向温度分布系数RTDF达到0.081,在性能所要求的0.08～0.12之间;中心分级燃烧室出口截面OTDF值随火焰筒头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是“V”形,RTDF值随头部每级旋流器的叶片数量或旋流气量的变化关系是类“V”形。     

超疏水旋转圆盘气膜层减阻的实验研究

在冯卡门旋流中,对均匀超疏水表面与网纹超疏水表面在雷诺数Re～O(105)量级上的减阻性能与表面气膜状态进行了实验观测.2种超疏水表面均使用物理喷涂法在有机玻璃板上喷涂纳米疏水颗粒制备.网纹超疏水表面制备时增加了丝网掩模的步骤,因此其表面增加了毫米级网格纹理.实验结果表明:对于冯卡门旋流中的超疏水表面减阻而言,存在一个...