基于CH自由基发光的旋流火焰放热率时空特性研究

对不同工况下CH4/air旋流火焰的放热率在时间上的热声振荡现象和空间的三维形态转变两方面进行了研究。在燃烧形态转变方面，由于旋流火焰的复杂流场分布特性，采用基于化学自发光的三维计算层析技术(3D-CTC)，测量了雷诺数从5 000到20 000的三个工况下旋流燃烧的CH*发光三维火焰结构。以此表征放热率的三维分布，实现对旋流火焰放热空间形态的测量。该诊断方法通过对旋流火焰发光在8个视角下的二维成像，结合层析重建算法得到其三维CH*分布信息。为验证重建保真度，将重建后结果二维可视化与高速摄影下的二维时均结果进行对比，结果表明重建误差在5%以内。研究中，分析了不同雷诺数下放热率的空间变化规律，结果显示所有实验工况下放热率的垂直于喷嘴方向的变化程度比沿喷嘴轴向的要剧烈；而随着雷诺数增加，最大的放热区表现出了明显的向后推进趋势。在旋流燃烧的热声振荡方面，利用CH*的二维高速摄影，对旋流燃烧的放热率不稳定性进行研究，发现放热率的振荡频率随着雷诺数的增大逐渐增加。      

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。     

甲烷-空气低旋流火焰中自由基的辐射特性

为了研究低旋流火焰中CH*和OH*自由基的辐射特性,设计了开放式低旋流火焰燃烧器,对旋流数为0.45～0.60,甲烷流速为0.33m/s～0.83m/s的甲烷-空气低旋流火焰进行了实验研究。利用ICCD相机和相应滤光片获取了CH*和OH*的化学发光图像,对CH*中的背景光干扰进行了消除,并研究了旋流数和气流速度对两种自由基辐射发光的影响。结果表明,CH*和OH*都主要分布在火焰锋面上,OH*更能表征化学反应的存在;旋流数对燃烧的反应程度、反应位置以及火焰的结构有明显影响,OH*的轴向峰值和旋流数的线性相关系数为0.975,要强于CH*;随气流速度增大,CH*的发光强度减小,而OH*的发光强度明显增大。     

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。     

基于投影残差最小化的二维火焰化学发光场重建

化学发光计算断层成像技术(CTC)能够实现对燃烧室内激发态粒子化学发光场的瞬时三维测量。为进一步提高CTC的测量精度,依据火焰的结构特性提出一种基于投影残差最小化的优化重建算法(PDM算法),利用Sine仿真模型对ART算法、ASD-POCS算法和PDM算法在不同角度下的重建性能进行评估。实现对一组稳定二维预混火焰的OH*化学发光场重建,通过重建结果与实际拍摄结果的对比,进一步评估重建算法的性能。结果表明:传统医学重建算法丢失火焰内部结构特征,不适用于火焰图像重建;PDM算法可以加快重建速度,提高重建质量,即使在稀疏角度下的重建,仍能得到较高精度的重建结果,有效捕捉火焰的主要结构特征。     

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。     

有限空间内低旋流流动与燃烧特性

为了对低旋流流动特性及其对火焰传播与稳定影响进行深入理解,通过实验与数值模拟相结合的方法,对有限空间内低旋流流动与燃烧特性进行研究.结果表明:改变中心孔板小孔直径,可以形成不同旋流数的旋流喷射器;在冷态条件下,随着旋流数增加,在展向平面上逐渐形成“W”形速度矢量分布;在铅垂截面内,速度矢量分布存在一个环形高速区域、中心低速区和外侧低速区.由于燃烧气体吸热膨胀、涡量诱导和温度斜压效果,使得冷态高旋回流流动转变为了燃烧条件下低旋无回流流动;在有限空间内,低旋流燃烧没有形成脱体火焰,而是形成类似于扩散燃烧火焰;随着旋流数增大,温度分布边界和化学反应边界在展向平面逐渐缩短,而在铅垂截面逐渐扩大.      

弱旋流燃烧器流场特征和污染排放研究

弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力,是未来燃气涡轮发动机低排放贫油预混燃烧组织方案之一。为了深入理解弱旋流流场特征和燃烧稳定性,建立了采用弱旋流燃烧器的试验装置,设计了不同几何尺寸的叶片式旋流器,采用PIV以丁烷为燃料获得了稳定的弱旋流火焰,采用激光诱导荧光技术测量了火焰结构,火焰中具有明显的局部熄火和再点火区域。在不同来流条件下开展了火焰稳定范围研究,确定了燃烧器的火焰抬升和贫油熄火油气比,燃烧器共呈现了三种不同的燃烧模式:附着火焰、"W"型火焰和"U"型火焰。采用燃气分析仪测量了燃烧器的污染物排放,所有状态下NOx排放低于10ppm。     

预混旋流多喷嘴火焰激光可视化实验研究

为了研究预混旋流多喷嘴火焰结构及当量比对多喷嘴火焰结构的影响,针对当量比0.51～0.8的甲烷/空气预混旋流多喷嘴火焰开展了平面激光诱导荧光测量研究。通过实验,获得了不同当量比下预混旋流多喷嘴火焰时均火焰形态和瞬态火焰结构分布特点。实验结果表明,相邻火焰相互冲刷,在相互作用区内强化了燃烧化学反应。相邻火焰之间的相互作用随着当量比的减小逐渐减弱,当量比小于0.53时,中心火焰熄灭,相邻火焰相互作用消失。多喷嘴外侧火焰推举高度小于中心火焰,稳定范围比中心火焰宽。当量比大于0.6时火焰推举高度随当量比的变化不明显,当量比小于0.6后火焰推举高度随着当量比的减小显著增加。随着当量比的降低,湍流脉动对火焰的褶皱扭曲作用逐渐增强,湍流火焰传播速度与层流火焰传播速度之比逐渐增大。     

预混旋流燃烧火焰三维折射率场重建

旋流燃烧器的结构参数会对航空发动机燃烧室的燃烧过程产生影响，为了获取高分辨率的流场三维信息以分析旋流燃烧器对燃烧室燃烧性能的影响并提出优化策略，可通过背景导向纹影层析（BOST）技术实现复杂流动的三维折射率、密度和温度分布的瞬态重建。首先采用镜头等效光学系统和龙格-库塔光线追迹方法对光线偏折产生的畸变图像进行模拟，在此基础上采用光流方程重建模型对规则和复杂对象的折射率场进行了重建模拟，分析了图像偏移大小的影响因素，计算了测量体、焦距等设置参数对重建误差的影响，提出了背景导向纹影的优化测量设置方法。模拟结果显示采用优化设置参数后重建折射率场较好地展示了湍流旋流火焰的旋进射流、褶皱和涡旋等流场复杂结构。     

节流盘对超紧凑燃烧室性能影响的数值研究

为进一步理解节流盘对主次流轴向进气超紧凑燃烧室性能的影响,基于Cot t le超紧凑燃烧室原型结构,采用计算流体力学的方法探究了燃烧环内旋流涡流燃烧的组织原理以及节流盘对旋流涡流燃烧特性及出口温度特性的影响。结果表明:节流盘可提高燃烧环内混气的离心加速度,加快火焰传播速度;节流效应导致的低压区可增大高温燃气径向迁移速度,增强高温燃气与核心流的掺混,改善燃烧室出口温度分布特性;燃烧环内存在涡流燃烧,节流盘可扩展燃烧涡的尺寸,提高火焰稳定性。     

速度脉动下分层旋流火焰动态传播结构提取

为了深刻理解分层旋流火焰的动态结构,开展了分层旋流火焰动态的模态分析和参数化研究。实验在BASIS （北京航空航天大学发展的具有台阶隔离段的独立分层旋流燃烧器）上开展,以甲烷为燃料预混燃烧,使用高速摄像捕捉了速度脉动下的CH*化学发光信号动态图像。利用传统的本征正交分解（POD）和重定向POD分析了火焰动态特性,并利用重定向POD提取了火焰动态中沿着轴向和径向的周期性传播结构,传播结构的频率与速度脉动频率保持一致,且轴向模态的传播结构最为明显。同时,研究了总当量比对重定向POD模态的影响,分析表明：总当量比增大时,重定向POD模态的拓扑结构会发生变化;重定向POD模态中出现了错位现象,这种现象与相平均图像中的火焰传播行为保持一致。重定向POD方法能够有效提取旋流火焰动态中的传播结构,为旋流火焰燃烧不稳定性的机理研究提供了一种分析工具。     

弱旋流喷嘴的污染排放和燃烧稳定性分析

基于弱旋流喷嘴(LSI)的弱旋流燃烧技术具有极低的NOx污染排放能力.分析了弱旋流燃烧的稳定燃烧和降低污染排放的原理,发现其特殊的流动形式及其与湍流火焰传播的匹配是决定其燃烧稳定性和污染排放的主要因素.而弱旋流喷嘴的旋流叶片角度、直径比和流量比等关键参数会影响LSI的下游流动特征,进而影响其燃烧性能.燃料对LSI燃烧稳定性和污染排放的影响主要是通过火焰传播速度和绝热火焰温度发挥作用.为了将液体燃料应用于LSI,目前主要采用了预混预蒸发的方式,试验结果表明:其NOx排放可比采用常规强旋流喷嘴的燃烧室降低10%~60%,但存在自燃和回火的风险.而LSI喷雾燃烧的方式,则需要针对弱旋流液雾燃烧开展更深入的基础研究.只有解决了液体燃料的LSI应用问题,才能发展出不同于传统强旋流燃烧的新一代航空发动机超低排放燃烧室.      

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。     

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。     

同心旋流分层火焰的外激脉动特性统计学分析

为了更深入地理解民用航空发动机低排放燃烧室中的同心旋流分层火焰脉动机制，以丙烷为燃料，在100Hz频率的外激条件下对该类旋流火焰的CH*化学发光图像进行高频采样，重点通过本征正交分解法（POD）的统计学分析，提取其时间和空间域内的脉动特征。分析结果表明，旋流火焰中4个最主要的脉动模态分别是轴向振荡、径向振荡、火焰脱落和非对称螺旋运动，并且模态1轴向振荡和模态2径向振荡之间具有显著相关性。POD分析方法可作为中心分级贫油预混燃烧不稳定性机理探索的有效手段。      

三旋流燃烧室的数值模拟与试验

为研究三旋流高温升燃烧组织技术，借助CFD技术对三旋流单头部燃烧室进行了数值模拟，采用结构化网格生成技术、realizable k ε湍流模型、PDF（概率密度）燃烧模型等对其进行模拟计算，获得了燃烧室内流场和燃烧场分布及各方面的燃烧性能参数，同时试验研究了三旋流单头部燃烧室的火焰筒壁温、出口温度分布、燃烧效率、排气冒烟数。结果表明:三旋流燃烧室的温升高达1130K，燃烧效率超过99％，火焰筒壁温分布较好，冒烟数不高于20；所采用的数学模型合理、计算方法可行，与试验数据基本吻合，其结果可为三旋流燃烧室设计提供参考。      

双旋流燃烧室主燃区流动特性PIV测量和分析

针对采用斜切径向双级旋流器的环形燃烧室单头部矩形模型,利用非接触式测量方法粒子成像测速仪(PIV)测量了主燃区的300K冷态速度场。采用Realizableκ-?湍流模型和稳态层流火焰面燃烧模型对燃烧室的冷流和燃烧流场进行数值模拟,得到燃烧室流场的速度分布和流场结构,并与试验测量数据进行对比验证。结果表明:瞬态流场结构变化剧烈,旋流和主燃射流的边界形成大量小尺度漩涡结构,回流区具有强烈的搅拌作用,回流区下游滞止点位置是随机变化的;反向旋流器比同向旋流器产生的回流区尺寸更小,燃烧状态的回流区尺寸比冷流的小,但主要受火焰筒壁面和主燃射流的约束;外旋流在距离头部5mm距离内控制内旋流,保持旋向相同;燃烧增大主燃射流穿透深度,改变流场的对称性。     

环形模型燃烧室内不同Karlovitz数旋流预混火焰的直接数值模拟

为了更好地理解航空发动机燃烧室内的旋流预混燃烧现象和机理,基于相关特征参数采用直接数值模拟方法研究了模型燃烧室内的旋流预混火焰。其中计算模型简化自环形燃烧室,包含两个相邻的贫燃旋流,参数尽可能接近实际航空发动机燃烧室工况。模拟中,采用了简化的煤油反应机理,设计了不同Karlovitz数(Ka)对应高低两种负荷。结果表明,在高压下火焰面极薄,小尺度湍流扰动对火焰面影响显著,燃烧室内湍流预混火焰位于薄反应区。在下游由于相邻旋流的作用而产生较为破碎的火焰结构,这一现象在高Ka时尤为明显。雷诺数Re和Ka较大时,旋流剪切作用所导致的下游中心回流效应增强,剪切层中的湍流扰动效应也更强。航空发动机燃烧室内主要反应物和生成物基本满足梯度输运关系,且在Ka较大时,梯度输运效应更显著。然而对于中间产物,梯度扩散假设在火焰面附近不成立,这对基于梯度扩散假设的相关计算模型提出了挑战。     

当量比对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

针对分层旋流燃烧室,实验测量了不同分级比和油气比下的动态压力。结果显示:在总燃烧当量比0.47~0.68,主燃级当量比0.48~0.65范围内,燃烧室内的压力脉动幅值随当量比增大而增大。基于层流火焰模型和局部火焰吹熄假设,公式推导了吹熄前后火焰厚度、火焰长度、层流火焰传播速度、气流速度间的关系,得出燃烧不稳定下的压力脉动幅值ps′与层流火焰传播速度SL0成正比,结合贫油状态下SL0随当量比增大而增大这一事实,得出ps′随当量比增大而增大,从而解释了实验结果。