中心分级贫油直喷燃烧室冷态流场特性

为了研究中心分级贫油直喷燃烧室冷态流场特性及头部结构参数对中心回流区的影响,采用数值模拟方法对不同结构参数下的冷态流场开展对比研究,并对基准方案进行了试验验证。结果表明:副模收敛角度以及喷嘴轴向位置对回流区影响较小,副模旋流叶片角度以及主副模头部径向间距对回流区影响较大。随着副模旋流叶片角度增大,副模出口旋流加强,引起出口气流张角增大,使得中心回流区体积扩大;随着主副模头部径向间距增加,削弱了主副模出口气流在切向方向上的相互影响,主模出口气流得以充分发展,中心回流区体积扩大。

直接加温条件下燃烧室燃烧效率计算方法研究

针对空气直接加温条件下燃烧室燃烧效率评估的需求,基于全成分分析法,发展了一种计算直接加温条件下燃烧室燃烧效率的方法。首先构建了空气直接加温条件下燃烧室燃烧过程的数学模型,然后推导了该燃烧反应的计算过程,最后通过实例对计算方法进行了验证。该方法考虑了高温燃气热解离的影响,利用数值解技术开展计算;通过燃气分析系统,分别测量了直接加温器出口截面和燃烧室出口截面的燃气成分。基于构建的燃烧效率计算方法,获得了燃烧室的燃烧效率,并将计算的燃烧室出口温度与热电偶的测量结果进行对比,验证了计算方法的工程实用性。

非旋空气对分级贫油直喷燃烧室流动和雾化影响的实验研究

针对中心分级贫油直接喷射燃烧室头部,采用粒子图像测速技术、平面激光Mie散射技术以及粒径测量技术,对比研究了非旋流空气与旋流空气四种不同的进气比例对燃烧室流动特性、喷雾特性以及燃油粒径分布特征的影响。研究发现:在常温常压状态,随着非旋流空气比例的增高,中心回流区不断缩小直至消失,预燃级燃油锥角不断减小,雾化受到阻碍,主燃级射流由向主燃级偏转逐渐转为向预燃级偏转,主油破碎效果先恶化后优化。在旋流器压降为1%和2%工况下,非旋流空气对两级燃油雾化均有抑制作用,随着非旋流空气比例的升高,空气对两级燃油雾化的阻碍作用呈现先增强后削弱的趋势,在压降为3.3%工况,非旋流空气比例对燃油雾化的影响较小。结果表明:非旋流空气与旋流空气比例为1∶2时,能够得到较为良好的流场结构、燃油分布和雾化效果,综合性能较好,是最优方案。

主燃级基于旋流直射式喷嘴的超低排放燃烧室实验研究

为了实现航空发动机超低NOx超低排放的目标,本文提出贫油预混预蒸发低排放燃烧室主燃级采用旋流直射式喷嘴技术,达到主燃级燃油和空气强化混合的效果,获得良好均匀性的油气混合物进行燃烧。在单头部燃烧室试验件上实验研究了LTO循环4个工况(慢车、进场、爬升和起飞)的燃烧性能和污染排放性能。研究结果表明:除慢车工况的燃烧效率接近0.99外,其余工况的燃烧效率均大于0.995;在LTO循环内,CO,UHC和NO_(x)排放均比CAEP/6排放标准降低50%以上,且NOx比CAEP/6低72.5%,达到了超低排放的目标;同时与其他各型低排放燃烧室相比,起飞工况、爬升工况的NOx排放在LTO循环中的占比均有较大幅度的降低。

碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室控制试验

设计了超燃冲压发动机燃烧室控制回路,采用基于可调气蚀文氏管的燃料流量调节系统动态调节燃料流量,根据反馈的推力和隔离段压强等测量数据进行燃烧室推力增益控制和燃烧室-隔离段干扰控制,并在直连式超燃冲压发动机试验系统上进行了推力单水平控制试验和推力多水平/燃烧室-隔离段交互控制试验.试验表明:燃料流量调节系统工作稳定,文氏管按指令行程作动,流量调节过程清晰;测量推力随流量变化基本上同步变化;对目标推力增益和燃烧室-隔离段交互的控制有效,并为进一步深入研究超燃冲压发动机燃烧室控制问题奠定了基础.

超燃冲压发动机燃烧室构型对燃烧室性能影响

在超燃冲压发动机直连式试验台上,通过调节超燃冲压发动机燃烧室壁面扩张角和燃料喷注位置,对燃烧室构型进行了试验优化,并定量分析了燃烧室构型对燃烧室性能的影响。采用正交试验设计方法组织燃烧室形面调节,每个形面进行5种喷注位置的试验,每次试验通过文氏管调节燃料流量实现3个当量比的燃烧室工况。利用试验数据构造了燃烧室性能关于构型参数的响应面模型,经两次渐进优化获得了最佳燃烧室构型,其推力增益比基准构型增大了10.4%;试验误差小于5.0%,且试验调节参数基本呈正态分布;参数影响分析表明燃烧室性能受各耦合因素的强烈影响,各因素影响的差异不显著,且较小的第1级、第2级扩张角和较大的第3级、第4级燃烧室扩张角以及适当集中靠前喷油、适当提高当量比有利于获得更高的燃烧室性能。

超燃冲压发动机燃烧室构型优化的试验研究

在直连式超燃冲压发动机试验系统上,通过调节超燃冲压发动机燃烧室壁面扩张角和燃料喷注位置,对燃烧室构型优化进行了试验研究。为了提高试验效率,燃烧室形面调节采用正交试验设计方法进行组织,每个形面进行5种喷注位置的试验,每次试验通过文氏管调节3个当量比的燃料流量。利用试验数据构造燃烧室性能关于构型参数的响应面模型,可用于燃烧室构型优化。通过两次渐进优化获得了性能更优的燃烧室构型,并根据试验数据分析了各构型参数对燃烧室性能的影响,结果表明:优化构型燃烧室的推力增益比基准构型增大了10.4%;燃烧室性能受各构型参数的强烈耦合影响。

航空发动机燃烧室出口温度场双向测量方法

介绍了1种航空燃烧室出口温度场正、反向测量的新方法。使用1个角度传感器(编码器)记录摆动装置的双向转动角度,达到了双向采集和测量温度场数据的目的;在程序中设定正、反向切换时的空程,在测量中予以消除,解决了齿轮传动中存在的空程角度难题,使得正、反向旋转测量的实际位置一致,保证了温度场试验数据的重复性。试验证明温度场数据较好地满足了重复性的要求。

多点贫油直喷燃烧室流动特性的数值研究

采用雷诺应力模型(RSTM)对于两种多漩流器阵列结构的非反应流场进行了数值研究。在两种结构中一种为同旋向漩流器阵列,另一种为反旋向漩流器阵列,每种结构均按3×3阵列排布。计算结果表明,两种结构产生的流场十分复杂,同旋向漩流器结构中九个漩流器产生的回流区迅速变形衰减,在远离漩流器阵列的下游,形成了一个大的总体漩流;而在反旋向漩流器中各回流区维持了较长的长度。两种结构流场中存在的多个回流区及强湍流表明燃烧室有潜力实现良好的燃烧性能。通过将RSTM计算结果与激光多普勒测速仪(LDV)测量值进行比较发现,RSTM准确描述了绝大部分流动特性,较好地求解了回流区和高速度梯度问题。

反旋向多漩流器阵列燃烧室流场的数值研究

采用雷诺应力模型(RSTM)对于反旋向多漩流器阵列贫油直喷(LDI)燃烧室的非反应冷态流场进行了数值模拟。研究中采用了一种3×3的漩流器阵列结构,相邻漩流器的旋向交替变化。计算结果表明,所研究的燃烧室流场结构十分复杂。由于相邻漩流器之间对于漩流的强化作用,因而各回流区维持了较长的长度。流场中存在的多个回流区及强湍流表明该燃烧室有潜力实现良好的燃烧性能。通过将雷诺应力模型的模拟结果与LDV实验数据进行比较发现,计算结果与实验值符合良好,说明雷诺应力模型较好地求解了回流区和高速度梯度问题。

一种多点喷射单管燃烧室燃烧性能数值模拟研究

针对五点贫油直接喷射单管燃烧室燃烧性能开展数值模拟研究,研究副模旋流强度对慢车和起飞工况下燃烧室燃烧性能的影响。计算结果表明:慢车工况下燃烧室热态中心回流区径向尺寸较冷态工况增大,起飞工况下冷热态中心回流区结构形态接近;随着副模旋流强度增大,燃烧室中心回流区径向尺寸也增大,并且由于主副模流动之间的相互影响,不同副模旋流强度下燃烧室内温度分布存在差异;燃烧室中心截面NO_(x)分布与温度场分布相同,燃烧室内NO_(x)热力学生成机理占主要地位;随着副模旋流强度增强,燃烧室出口NO_(x)排放也增大。

固体火箭超燃冲压发动机地面直连试验

针对采用碳氢固体推进剂的固体火箭超燃冲压发动机开展了地面直连试验。介绍了试验系统,测量了推力、压力、温度和质量流量等参数,分析了试验结果,得到燃烧室的性能。燃烧室总压损失为74.1%,燃烧效率为84.0%,推力增益为0.718 k N,推力增益比冲为3 726.9N·s/kg。

旋向对中心分级燃烧室流场及温度场影响研究

采用数值模拟方法对中心分级多点直喷燃烧室冷/热态流场和温度场进行研究,揭示了流场和温度场之间的相互作用机理,获得了旋流器旋向对流场和温度场的影响规律。结果表明:冷态条件下,旋流器不同旋向时均形成了张角为17°的中心回流区,但同旋向下形成的中心回流区尺寸更大;随着燃烧释热的加入,不同旋向燃烧室形成了尺寸相同的中心回流区,而且张角增大为45°;不同轴向位置的切向速度分布云图依次形成“圆形”、“菱形”、“椭圆形”和“上下对称”结构,分别表征了中心回流区开始形成、初步发展、充分发展和逐渐消失4个过程;燃烧室内旋流空气切向速度越小,近出口中心位置的轴向速度越大,导致燃烧室出口热点温度越高,因此旋流器同旋向时具有更好的出口温度分布因数。

贫油直喷燃烧室回火的数值研究

针对燃烧稳定性中的回火问题,对贫油直喷燃烧室的回火特性进行了研究。燃烧中的回火指的是火焰从燃烧室传入到了预混区中的这样一种现象,它包含了声波、湍流、燃烧之间的复杂的相互作用,是燃烧研究中的关键问题之一。利用Fluent中的混合分数/PDF平衡化学反应模型对贫油直喷燃烧室进行了大涡模拟,分别计算了冷态和热态下的流场,捕捉了贫油直喷燃烧室内回火的动态过程,其中亚格子模型采用WALE模型,燃油射流采用离散相模型。研究结果表明,大涡模拟能够较好地反映流场分布情况,贫油直喷燃烧室内存在中心回流区,模拟结果与实验结果吻合较好;贫油直喷燃烧室中的回火发生在中心流区域,回火时,中心回流区向上游移动,这促使了火焰的向上游传播,并最终导致了回火的发生。

迎接“西气东输”,积极开展燃气空调的研制

中国空调使用量居世界前列,且消耗能源大部分为电力,对电网安全运行造成极大危害;另一方面,随着“西气东输"工程的实施,燃气已在城市的普及使用,但燃气用量不平衡。发展燃气空调可以缓解电力紧张状况,又可调节燃气用量季节的不均性,并且有利于节约能源、保护环境。文中还介绍了燃气空调的主要形式,指出了燃气发动机驱动热泵和小区热、电、冷三联供是发展方向。

丙烷／空气贫油直接喷射燃烧室燃烧特性试验研究

为了研究丙烷/空气贫油直接喷射燃烧室的燃烧特性,设计了两种轴向旋流器和一种均布直射式丙烷喷注结构,建立了丙烷/空气贫油直接喷射燃烧平台,改变轴向旋流器叶片安装角和丙烷喷注结构位置,探讨轴向旋流器结构、旋流器和喷注结构匹配等因素对丙烷/空气贫油直接喷射燃烧特性影响及变化规律。研究结果表明:(1)60°叶片安装角旋流器结构,在相同进气条件下压力损失更大,有效面积更小;(2)随着丙烷喷注结构端面与文氏管出口距离的增加,45°安装角对应的旋流器结构的燃烧室总压损失减小,有效面积增加,而60°安装角对应的旋流器结构的燃烧室总压损失和有效面积均不呈现单调变化趋势,存在最优位置;(3)45°叶片安装角旋流器结构的燃烧温度高于60°叶片安装角旋流器结构;(4)相同条件下,60°叶片安装角旋流器结构的点火当量比低于45°叶片安装角旋流器结构,45°叶片安装角旋流器结构的点火当量比可达到0.7,60°结构所对应的最低当量比则为0.6。

旋向组合对小尺度三级旋流燃烧室性能的影响

为了研究小尺度三级旋流燃烧室的燃烧性能,对头部为同旋向组合和反旋向组合的四种三级旋流器的燃烧室在不同进口速度和油气比参数下的燃烧性能开展了常压试验研究。研究结果表明:从燃烧室的主要燃烧性能来看,内旋流器旋向与燃油喷嘴旋向相反时的点火性能最佳,点火油气比为0.009;三级旋流器同旋向时贫油熄火性能最好,贫油熄火油气比约为0.0033;中间旋流器反旋向时燃烧效率最高,旋向组合对出口温度分布系数的影响相对较小。

双级旋流多点喷射燃烧室试验研究

为解决高温升燃烧室点火、慢车工况的燃烧稳定性与起飞、巡航工况下高效率低冒烟燃烧之间的矛盾,对采用中心分级技术的双级旋流多点喷射直接混合(TAMDIM)组织燃烧技术的单头部燃烧室进行了试验,试验状态为慢车、起飞、亚声速巡航。通过试验获取了各个工况下燃烧室的燃烧效率、火焰筒壁温分布及冒烟值。TAMDIM燃烧室除慢车工况的燃烧效率小于0.99外,其余工况的燃烧效率均大于0.995,采用燃油分级对燃烧室效率影响很小。多斜孔发散冷却有良好的冷却能力,使得火焰筒壁温在燃烧室温升1157K下仅1005K。燃烧室在高油气比状态下冒烟数小于10,满足ICAO规定的要求。

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°,有利于小工况下的火焰稳定;在带周期性边界的燃烧室(模型B)中,头部之间的相互干涉导致角回流区涡心位置向下游移动,涡心间距减小,角回流区尺寸明显增大,抑制了中心回流区的发展,最终形成了两个较小的中心回流区,一次回流区扩张角减小为20°;在带发散小孔冷却的燃烧室(模型C)中,冷却空气抑制了角回流区的发展,在中心截面角回流区基本消失,形成了尺寸更大中心回流区,回流区扩张角增大至35°。

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。