文氏管出口张角对旋流杯性能的影响研究

为了研究文氏管出口张角对旋流杯综合性能的影响,对不同文氏管出口张角的双级旋流杯开展了流量特性、下游流场和雾化性能试验,并借助仿真对试验结果进行了分析。结果表明:文氏管出口张角对旋流杯流量以及流量系数无显著影响。回流区外侧扩张锥面轴向速度随出口张角的增大先增后减。出口张角的存在可增大文氏管出口湍动能,强化两级旋流气体之间相互剪切作用进而改善雾化性能,存在一个最佳的角度(本文研究参数范围内,该值为56°)使得液雾平均粒径最小且液滴尺寸分布最均匀。拟合了关于文氏管结构的可用于预估双级旋流杯SMD值的模型公式,预估值与试验值吻合较好,相对误差小于20%。     

燃烧室电火花点火模型

为了准确掌握影响航空发动机燃烧室点火边界的关键因素,并建立燃烧室点火边界预测模型,对单头部燃烧室的点火过程及点火边界进行了试验与理论研究。获取了燃烧室点火过程的火核生成与传播特性曲线,形成了拓宽燃烧室点火边界的优化方法,基于点火恢复时间建立了燃烧室点火边界预测模型,并对预测模型的精度进行验证。结果表明:提高喷嘴雾化性能是提升点火性能的最有效途径,点火模型预测结果与试验结果相符度较好,模型的最大误差小于20%,满足燃烧室工程设计需要。      

双级轴向旋流杯气量比对雾化性能影响的试验

为探索小状态下改善雾化性能的途径,从调节旋流杯气量分配的角度出发,对不同一、二级气量比的双级轴向旋流杯开展了试验研究,获得了气量比对液滴平均直径、液滴尺寸分布指数以及喷雾锥角的影响规律。试验结果表明:气量比的增大不仅降低液滴平均直径,而且使得旋流杯在较宽的供油压差范围内都具有良好的雾化品质,可实现小状态下雾化性能的改善。旋流杯喷雾锥角随气量比的增大而增大,随供油压差的增大而增大并逐渐趋于稳定。旋流杯总气量恒定时,气量比接近1时的综合雾化性能最佳。      

文氏管出口张角对旋流杯流动不稳定性的影响

为探究旋流杯内流动不稳定现象,针对带不同出口张角文氏管的旋流杯冷态流场进行了大涡模拟,并结合PIV试验结果进行了验证。研究结果表明,文氏管出口张角对时均流场的影响主要在旋流杯内部区域,对下游恢复区域基本无影响;旋流杯瞬态流场中存在旋进涡核（PVC）和小涡旋结构,出口张角对PVC的运动频率和形态基本无影响,对小涡旋结构影响较大,相同Q值下,56°张角旋流杯方案的小涡旋结构更丰富;经本征正交分解方法（POD）分析,旋流杯的强脉动结构为PVC和小涡旋结构。56°张角旋流杯方案的小涡旋结构能量更强,脉动幅度较大,能更好地对燃油进行剪切破碎,有利于强化雾化效果。     

受限空间内三级旋流流场和燃烧性能研究

为研究受限空间内三级旋流器流场特征和对应的燃烧性能,对不同方案三级旋流器开展了试验和仿真研究,分析了2种典型流场（贴壁流场和锥形流场）特性及其对火焰形态、燃烧室性能指标的影响。结果表明,通过控制三级孔特征可实现三级旋流器下游贴壁流场和锥形流场之间的转变。三级孔为30°时,旋流器的高湍动能有利于强化燃油雾化,同时形成贴壁的大尺寸回流区有利于燃油在主燃区的空间扩散和均匀分布,能够改善燃烧室点熄火性能,但会导致主燃区火焰筒壁温较高。     

双油路离心喷嘴雾化特性的半经验预测方法

为了掌握主、副油路相互干涉的机制,进而获得双油路离心喷嘴雾化特性的预测工具,开展了双油路离心喷嘴的理论和试验验证研究,研究中所涉及的供油压差范围为0.05~3MPa。理论推导了双油路离心喷嘴液膜破碎长度和索太尔平均直径(SMD)的半经验预测公式,并使用了3个不同结构的双油路离心喷嘴进行了试验验证。结果表明:双油路离心喷嘴破碎长度和SMD的预测精度达到±20%。这些半经验关系式可以作为双油路离心喷嘴设计阶段的预测工具和仿真边界条件。      

套筒配合间隙对燃烧室出口温度场品质的影响

为了研究燃烧室头部涡流器套筒与冷却片配合间隙对燃烧室出口温度场品质的影响规律,分别针对0.1mm,0.15mm及0.2mm三种不同间隙宽度情况进行了燃烧室性能试验研究,并采用数值模拟方法对其影响机理进行了分析。结果表明,通过间隙的环状射流对涡流器旋转射流方向、燃烧室主燃区流场结构以及燃油质量分布均有较大影响。随着间隙宽度增加,燃烧室出口温度分布系数增加了29%,径向温度分布曲线的高温点向叶根方向的移动距离超过10%叶片高度,燃烧室出口温度场品质急剧恶化。     

基于半经验耦合的贫熄边界预测方法

提出了一种根据FV(flame volume)模型与燃烧室热态仿真相结合的贫油熄火边界耦合预测方法。利用两种不同构型五个不同方案燃烧室的贫熄试验数据对此方法进行验证,结果表明:对于直流型燃烧室与回流型燃烧室,FV模型中的经验常数K分别取1.35和0.55时,能够保证各方案燃烧室的贫油熄火边界预测精度均在±20%以内。相比于Lefebvre模型,此方法的计算精度更高、适用范围更广。      

基于神经网络的变截面再生冷却结构优化设计

针对目前再生冷却结构优化研究存在参数对比范围窄、依赖于经验关系式等问题,根据航空发动机燃烧室特点提出了一种变截面宽度再生冷却通道,并采用神经网络模型结合数值模拟结果,以通道出口燃油温度相对标准差、燃气侧最高壁温及壁温相对标准差为目标,预测了全参数范围内不同槽宽和、槽宽比及肋高下目标函数的变化规律,预测结果表明：当槽宽和较小时,增大肋高可以强化换热,但当槽宽和较大时,需减小肋高才能强化换热,这也揭示了为何有些文献中关于肋高对换热性能影响的结论会相反;此外,存在一个最佳槽宽比范围可使得三个目标函数均最低;增大槽宽和可以明显降低燃气侧壁温及其不均匀度,减小肋高可以缩小不同管道出口燃油温度的差异。从预测空间内可选取多组综合流动换热性能较优的结构,优化后三组目标函数的加权值降低了9.09%。     

使用Gao-Yong湍流方程计算翼体角偶流动

Gao-Yong湍流方程基于侧偏统计平均方法保留了湍流脉动量的一阶统计信息,并引入加权漂移速度对称性及正交各向异性,导出漂移流连续方程、动量方程和机械能方程,最后依据湍流物理的唯象论,使用动量传输链概念模化封闭了整个方程组.大量算例验证了此方程对广泛范围的复杂湍流问题的适定性.为了进一步的工程应用,将其加入开源计算流体力学软件OpenFOAM(Open Field Operation and Manipulation)中,并就翼体角偶流动进行了数值模拟.翼体角偶流动具有三维分离、马蹄涡等十分复杂的流动特征,通过与实验测量结果的对比研究表明,Gao-Yong湍流方程不论在定性还是定量上,都成功捕捉到这类复杂流动现象的主要特征,得到了令人满意的结果.