带旋流杯的模型回流燃烧室主燃孔射流研究

实验研究了带轴径向旋流杯、主燃孔和冷却气流的模型回流燃烧室在工作压力为300 kPa, 燃烧室压力损失为2.5%时主燃孔射流的特点以及其对燃烧室流场的影响.结果表明, 回流式燃烧室内外壁主燃孔射流进气方向与顺流式燃烧室不同, 即内壁主燃孔射流向流动方向下游倾斜, 外壁主燃孔射流向流动方向上游倾斜;主燃孔射流穿透深度很大, 几乎能穿透到对面火焰筒壁;中心回流区长度明显缩短, 其长度L与旋流杯出口直径D的比值(L/D)约为0.5, 而常规的顺流式燃烧室的L/D约为1.3.      

回流燃烧室流动特性试验

为了揭示有/无燃烧状态下燃烧室热态和冷态流场的特征和流动特性,针对某型回流燃烧室单头部试验件,使用粒子图像测速仪（PIV）,测量燃烧室燃烧状态下不同截面处的热态流场,以及没有燃烧状态下不同截面处的冷态流场,探讨不同总压损失系数对回流燃烧室热态/冷态流场特征及流动特性的影响。研究表明:随着总压损失系数的增大,冷态条件下各截面流场结构基本保持不变,如射流孔穿透深度、射流角度、回流区位置及大小、流线等基本保持一致,但是各位置点速度大小逐渐增大。热态条件下各截面流场随着总压损失系数增大,流场结构也基本保持不变;相同总压损失系数时,热态流场与冷态流场存在差异,燃油喷射与气流的相对运动将会对燃烧室头部的流场结构造成影响,速度较冷态流动时略微增大。      

航空发动机燃烧室主燃区特性的研究

采用FLUENT6．1软件对某型机燃烧室主燃区的各个典型工作状态进行三维两相湍流燃烧的速度场、温度场、油滴轨迹进行了数值模拟计算。通过对计算结果的分析，得出了主燃区的特性：主燃区的冷热区决定了出口温场冷热区，其效率决定了燃烧室的效率；随着负荷增加，油滴轨迹明显呈缩短趋势，模拟计算结果与试验结果及燃烧室工作特点比较吻合。     

斜切径向旋流燃烧室主燃区光学测量与特性分析

针对斜切径向旋流环形燃烧室模型,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)光学测量手段,在模化状态(Case 2)下,对燃烧室主燃区进行温度测量,分别得到了主燃区内12个点的温度和沿两条路径的积分温度.使用Fluent 12.0对Case 2进行数值模拟,分别使用两种非预混燃烧模型:平衡化学反应模型(EM)和稳态层流小火焰(SLF)模型.通过将两种不同燃烧模型的计算结果与TDLAS,CARS试验测量数据作对比验证,发现EM计算得到的温度更高,并与试验测量温度更符合,其中与CARS测量的误差小于6%.在试验验证的基础上,完成燃烧室在冷流状态(Case 1)下的计算,分析主燃区的气流组织和主燃孔射流对回流区的影响;利用EM计算分析燃烧室主燃区在全压状态(Case 3)下燃料分布、温度场、组分分布和性能参数,如燃烧室的燃烧效率为0.97、出口温度分布系数为0.312等,较为全面反映了燃烧室内气流流动换热和燃烧现象.      

航空发动机燃烧室主燃区的数值模拟分析

概述了先进燃烧室的主燃区数值模拟,论述了采用气动喷嘴时确定边界条件的方法和模拟燃油喷嘴油滴轨迹的结果。对某型发动机燃烧室的主燃区进行了数值模拟,给出了熄火时主燃区流场,分析了主燃区温场对出口温场的影响     

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。     

收口套筒主燃区流场的PIV测量

在常温常压下,采用PIV技术测量了旋流器套筒为收口套筒时单头部矩形燃烧室主燃区的流场,获得了主燃区速度场和涡量场的详细信息.试验结果表明收口套筒形成了小尺度回流区大角涡的主燃区流场结构;收口套筒对旋转气流的收缩作用可以很好的改善燃烧室内油气的混合.      

基于PIV技术对三级旋流杯燃烧室流场的测量

参照单级旋流器设计方法,设计4种三级旋流杯中不同叶片数和叶片安装角第三级旋流器,采用particle image velocity(PIV)技术对三级旋流杯燃烧室流场进行研究.研究结果表明:随着第三级旋流器叶片安装角和叶片数的增加,主燃区的轴向速度逐渐变小,使得主燃孔射流作用增强;在同样叶片数情况下,增大第三级旋流器叶片安装角,使旋流强度增强;对于第三级旋流器不同安装角、第三级旋流器叶片数增加都使轴向速度变化趋于平缓,使燃烧室内主流受主燃孔射流扰动影响较小,流动更平缓.      

双旋流燃烧室单头部油雾特性实验

为了获得双旋流燃烧室油雾特性,采用粒子图像测速仪（PIV）对其单头部油雾场进行测量.通过实验,获得了不同燃油流量分配、不同预燃级喷嘴位置对油雾特性的影响.在实验设计工况下所得结果表明:①直径约为80μm处的油珠体积分数最大,其他粒径的油珠体积分数都较小;②随着燃油流量增加,单开预燃级喷嘴时燃油雾化变差,单开主燃级喷嘴时雾化质量相差不大;③预燃级喷嘴位于旋流器出口处有助于改善燃油的雾化质量;④同时打开主燃级和预燃级喷嘴时,保持油气比不变,随着主燃级供油流量增加,雾化质量得到改善.      

基于内窥式PIV的回流燃烧室冷态内流场测量

为了突破传统测量光路限制,实现对航空发动机三头部全尺寸回流燃烧室模型试验件内部冷态流场精细化测量,自主搭建了一套内窥式PIV测量系统,在自模区工况下对其内部冷态流场进行了测量调试。结果表明,在壁面之上预设内窥小孔即可实现测量光路布置,采用大焦距光学适配接口能够很好的解决相机内窥镜成像圈较小的技术难题。通过缩短相机内窥镜工作距离和采取多种消光措施大幅提高了测量空间分辨率和信噪比,最终实现了模型燃烧室内部冷态流场精细化测量,获得了内部流场结构信息。     

基于PIV的中心分级燃烧室冷态流场试验

为了掌握中心分级燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪（PIV）对中心分级燃烧室的冷态流场进行试验,对具有不同流通面积的主模旋流器和副模旋流器出口流场进行了对比。结果表明：在压降相同条件下,副模旋流器单独工作时流过的空气流量约占主、副膜旋流器同时工作时的1/3;副模单独工作时,流场中无明显回流区,这表明副模旋流器主要作用是在燃烧室头部提供高速气流与燃油喷嘴喷出油雾颗粒充分混合形成油气混合物;在压降不变的条件下,随着主模旋流器流通面积的增加,空气流量增大,燃烧室头部流场分布受流通面积影响显著;在流通面积不变的条件下,随着供气压降的提高,空气流量增大,流场中旋转回流区位置向燃烧室头部方向移动,面积减小,中心回流区位置基本不变,回流速度加快。     

一级旋流强度对双旋流杯下游油气分布的影响

为了改善双旋流杯点火性能,需要优化其下游的流场和油雾场。利用激光粒子动态分析技术(PDA)测量基准双旋流杯下游的流场和油雾场,据此提出一级旋流器旋流数仅增大6.7%,但切向动量矩减小44%的改进方案,并进行了流场和油雾场对比试验。试验结果表明:减小双旋流杯一级旋流切向动量矩会使旋流杯下游流场结构发生较大变化,使其从收扩型转变为扩张型,同时减小油雾的索太尔平均直径(SMD);当与旋流杯出口距离超过2.5倍文氏管喉道直径时,流场输运和油滴蒸发作用增强,使得油雾分布更加均匀,燃油SMD更小。在航空发动机燃烧室双旋流杯设计中,不仅要考虑传统的旋流数概念,还应考虑各级切向动量矩的综合影响作用。     

基于PIV 技术的双旋流燃烧室冷态流场测量

为了掌握双旋流燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪(PIV)对双旋流、低排放燃烧室的冷态流场进行测量。并对流场在不同供气压降、不同测量截面上的分布特性进行试验研究。结果表明:随着进气速度的增大,回流区的面积及回流强度有所增加,回流区长度变长,燃烧室头部气流更稳定,燃烧效率更高。随着距旋流器出口距离的增加,截面上环形流场的强度有所减弱。研究结果为进一步研究利用多级旋流器实现燃烧室内稳定燃烧并降低排放提供了重要依据。     

中心分级多点直喷燃烧室冷态流动特性研究

为了探究中心分级双旋流多点直喷燃烧室冷态流动特性,采用数值计算和实验方法进行研究,建立了回流区主要特征参数定量描述方法,分析了主/副模旋流的发展过程,并获得了头部之间相互干涉以及冷却空气与旋流空气之间的相互作用规律.结果表明:在中心分级双旋流矩形燃烧室(模型A)中形成了稳定的中心回流区,回流区扩张角为30°,有利于小工...     

主燃区出口特征影响出口温度场性能的数值研究

对不同航空发动机燃烧室主燃区出口特征下的速度分布和温度分布进行模拟,获得了不同主燃区出口特征下的出口温度场。结果表明:在均匀的主燃区出口速度分布下,燃烧室出口温度场更均匀;主燃区出口最高温度突升及温升幅度对出口温度分布系数To和径向温度分布系数Tr的影响很小;主燃区最高温度点向内、外涵靠近时,To和Tr都会迅速增大,靠近外涵时比靠近内涵时增大得快。     

机翼滚摆非定常流场的PIV测量

对后掠角为 ８０°的三角翼模型在迎角为 α＝ ３５°时的自激滚摆（ｗ ｉｎｇ ｒｏｃｋ）非定常流场首次采用粒子图像测速仪 Ｐ Ｉ Ｖ（ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍ ａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍ ｅｔｒｙ）进行瞬态全场速度场测量。对应的 Ｒｅ数为 Ｒｅ＝ １．０１ 和２１１ ×１０５ ,自激频率为３３ Ｈｚ 和３９ Ｈｚ,滚摆振幅为±２０°,测量截面为 Ｘ／ Ｌ ＝ ０．５２５ 和０７７５ 。每幅图像计有 １５１２８ 个速度矢,空间分辨率为０５ｍ ｍ 。图像采样频率１０ Ｈｚ。测量结果表明,不仅三角翼前缘涡在模型滚摆运动时相对翼面位置的迟滞特性、而且涡强的动态迟滞特性是引起和维持自激滚摆的主要原因。     

应用PIV技术测量二维瞬时流场

本文应用ＰＩＶ技术对循环水槽中两种工况下进行了二维瞬时流场测量。在双脉冲激光片光源照射的平面流场中,得到了清的粒子位移照片,采用杨氏条纹法精确的测量了整个二维瞬时流场。本文还采用粒子像模拟技术,用几种图像处理方法：傅里叶变换法,空间自相关法和位移距离概率统计法分别进行处理,得到了相同的结果。     

反推装置叶栅外流场PIV测试

针对某型反推力装置缩比模型试验件,应用粒子图像测速（PIV）技术开展了反推力装置叶栅出口外流场结构和测试技 术试验。在不同进口落压比下进行外流场测试,得到了叶栅出口流场速度分布和流动的基本结构。探索了粒子图像测速技术应用于外流场工程环境测试方法,提供了通过专用装置防护和减振的方法在PIV技术对气流冲击、振动、噪声等复杂环境问题的解决途径。试验结果表明：气流从叶栅出口排出后沿叶栅型面方向径直流动,落压比对叶栅出口气流速度及分布影响较大,流场形式受其影响较小,在落压比为1.2时,气流速度达到165 m/s;PIV技术结合防护、减振、远程控制等措施能够成功应用于工程外流场测试,通过试验验证确立了基于PIV技术的叶栅出口外流场测试方法,对该技术在相关工程中应用有很大的借鉴意义。