航空发动机两级反向旋流燃烧室燃烧流场大涡模拟研究

为深入了解真实航空发动机内燃烧流场,采用动态亚网格模型结合单步快速化学反应(FC)、火焰面(FLM)及反应进度变量(FPV)等三种燃烧模型对径向两级反向旋流燃烧室单头部构型进行了大涡模拟。为避免模型简化误差,对燃烧室包括全部气膜冷却孔在内的精细结构进行了完全仿真。在已达到统计定常状态的冷态流场基础上首先模拟了燃料喷注和掺混过程,约2.6ms后燃料到达真实的点火位置,随后采用FPV模型在半径3mm的球形区域数值模拟了点火,展示了在主燃孔横向射流作用下初始火焰沿化学恰当比混合分数等值线传播并充满整个火焰筒的发展过程,结果显示火焰到达燃烧室出口的耗时约为6～7ms。不同模型算法预测的平均温度场与CARS测量结果作了对比,LES-FPV,RANS-FPV,LES-FLM以及参考文献中RANS-FLM计算平均误差分别为3.47%,4.17%,7.76%和11.22%,表明LES改进了模拟精度,且FPV模型显著优于FLM模型。RANS-FPV预测的出口存在严重热斑,导致其给出的出口温度分布因子(OTDF)及最大径向温度分布因子(RTDF)值分别达到0.593和0.313;LES-FPV结果均匀性最好,其预测值分别为0.284和0.193。     

凹腔对一体化支板火焰稳定器燃烧性能的影响

在来流温度为780~850℃、来流马赫数为0.16及油气比为0.002~0.006的条件下,试验研究了凹腔对喷油/稳定一体化支板火焰稳定器燃烧效率及熄火性能的影响,并结合数值模拟进行辅助分析。结果表明:在不同油气比条件下,带凹腔的一体化支板火焰稳定器均能实现稳定高效燃烧;不带凹腔的一体化支板火焰稳定器燃烧效率始终低于带凹腔的一体化支板火焰稳定器,随着油气比的增加,两者燃烧效率差距逐渐缩小;带凹腔的一体化支板火焰稳定器较不带凹腔的一体化支板火焰稳定器有更好的熄火性能;凹腔结构促进了燃油雾化与蒸发,从而提高一体化支板火焰稳定器的燃烧性能。      

进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

为了研究进口温度对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响,实验在单头部燃烧室上测量了不同进口温度下的动态压力,并采用理论分析了进口温度对压力振荡的影响。实验结果显示:该燃烧室出现的燃烧不稳定性呈现的是Helmholtz模态,并且随着进口温度从530K增加至650K时,压力脉动主频增加,幅值减小。分析表明:进口温度的增加会增强燃油的雾化和蒸发,进而加强其与空气的掺混均匀性,减小了当量比脉动,从而抑制了燃烧不稳定性,压力振荡幅值减小。      

一体化凹腔支板稳定器贫油熄火性能初步试验

在来流温度773~1 073 K、来流马赫数020~032及常压条件下,试验研究了来流温度及马赫数对一体化凹腔支板稳定器(ICBSF)贫油熄火(LBO)性能的影响。结果表明:由于凹腔结构有利于燃油的蒸发与雾化,一体化凹腔支板稳定器的贫油熄火油气比为0001 3~0002 7,具有较宽的贫油熄火边界;与传统钝体火焰器类似,一体化支板稳定器的贫熄油气比随着来流马赫数的增加而增大,随着来流温度的升高而减小。此外,当来流温度显著增高时,来流马赫数对一体化支板稳定器贫油熄火油气比的影响变弱;同样,当来流马赫数显著增高时,来流温度的影响也变弱。     

钝体稳定射流火焰的火焰面模型数值研究

基于稳态火焰面(SLFM)和交互式非稳态欧拉颗粒火焰面(EPFM)模型对Sydney大学CH4/H2钝体稳定湍流扩散火焰行了数值研究,采用修正的雷诺应力模型(RSM),同时对两种不同规模的甲烷详细化学反应动力学机理进行研究,比较了燃烧模型和反应机理对湍流火焰结构、活性自由基以及氮氧化物预测精度的影响,与实验数据对比结果表明:两种反应机理得到的温度场和主要组分分布基本相同;SLFM模型能对速度场和标量场的分布进行较为准确预测,采用EPFM模型修正后,部分区域OH预测结果更加靠近实验结果;采用EPFM模型对SLFM模型耦合GRI-Mech 211的计算结果修正后,NO量级降低近2倍,预测精度明显改善,与实验结果实现较好的符合,验证了化学反应动力学机理以及非稳态效应对氮氧化物预测精度的影响。     

基于遗传算法的火焰筒浮动瓦块热-结构耦合优化分析

以火焰筒浮动瓦块结构为研究对象,将遗传算法和“穷举搜索法”相结合,采用二步递进策略对浮动瓦块进行了热-结构耦合优化分析.首先利用遗传算法对瓦块结构中安装螺栓杆的位置变量进行优化;然后利用“穷举搜索法”对瓦块的厚度和螺栓杆直径进行优化.通过优化分析得到了结构性能更优的瓦块结构方案,使其最大应力比降低了22.77%.结果表明遗传算法和“穷举搜索法”相结合的优化方法应用在浮动瓦块的结构优化设计中是有效、合理的.      

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V型槽的空气/煤油燃气发生器火焰稳定方法研究

为实现空气/煤油燃气发生器的可靠点火和稳定燃烧,采用试验与数值仿真相结合的方法对V槽火焰稳定器应用于燃气发生器时阻塞比和安装位置的选取进行了研究。发现不同阻塞比的火焰稳定器安装于燃气发生器不同位置时局部油气比可以是富油或贫油,甚至出现火焰稳定器一侧为贫油,另一侧为富油的状态。从接近当量比侧向贫油侧的热量和质量传递可以使得贫油侧的火焰稳定性能提高。钝体稳定的空气/煤油部分预混火焰存在“熄火-再点火”过程,其熄火频率为30Hz,高于贫油预混火焰的10Hz。阻塞比约0.6的V槽火焰稳定性能较好,获得了空气/煤油燃气发生器采用钝体稳定火焰时稳定器安装的特征长度范围。      

孔阵排列和偏转角对多斜孔壁火焰筒冷却效果的影响研究

为了研究火焰筒上孔阵排列和偏转角对多斜孔壁冷却效果的影响规律,将多斜孔壁冷却结构应用到航空发动机的燃烧室火焰筒壁上,通过数值模拟研究了不同孔阵排列和不同偏转角的共6种多斜孔结构对火焰筒壁的冷却效果,包括有效温比和对流换热系数的比较。结果表明:在燃烧室上,孔阵排列对多斜孔壁冷却效果的影响与平板模型的规律一致,叉排孔阵排列优于顺排孔阵排列,孔排周向位移找到了冷却效果较好时的孔排周向位移值;在火焰筒前端,偏转角的选取应考虑到旋流器对流场的影响,而在火焰筒后端,偏转角为0°的冷却效果较好。      

喷油杆与凹腔支板稳定器近距匹配雾化特性

以水和煤油为雾化介质,采用马尔文激光粒度仪研究了来流马赫数为0.16~0.24、喷雾压差为0.30~0.90MPa、喷油杆与凹腔支板稳定器间隔为31.5mm且顺喷时液雾在轴向不同位置处的雾化特性.研究结果表明:液滴索太尔平均直径(SMD)随来流马赫数增大而减小,随喷雾压差升高而减小,但凹腔支板稳定器下游远方截面的液滴SMD在主流区对马赫数不敏感,在回流区对喷雾压差不敏感.此外,喷油杆下游液滴SMD沿轴向逐渐减小,沿径向在主流区逐渐增大,在回流区逐渐减小.