基于神经网络的双轴向旋流器结构参数影响分析

针对目前航空发动机燃烧室旋流器研究工作中存在的研究变量单一、对比范围窄等问题,采用神经网络模型结合数值模拟结果,以有效流通面积、旋流扩张角、中心回流区宽度为目标,预测了不同叶片安装角、套筒扩张角、旋向组合等11项关键结构参数下目标函数的变化规律,并对各关键结构参数进行了敏感性分析。结果表明:有效流通面积主要受面积比及叶片安装角的影响,旋流扩张角及回流区宽度随各结构参数的变化趋势与相应研究文献一致,即旋流扩张角随套筒扩张角的增加而增大,随文氏管出口至套筒扩张段距离、一二级面积比的增加而减小;中心回流区宽度随套筒扩张角、各级叶片安装角的增加而增大,随文氏管出口至套筒扩张段距离的增加而减小;旋向组合对旋流扩张角与中心回流区宽度的影响相对较小。基于训练模型可选取多组符合优选条件的结构组合,优选组合中套筒扩张角均大于90°,一二级叶片安装角大多在40°上下,一二级面积比增加、旋向相反时,可选方案增加。

主燃孔对模型燃烧室流场的影响

为了深入了解主燃孔参数变化对双级轴向旋流器模型环形燃烧室内气流组织与气动性能的影响,采用PIV测速仪对该燃烧室内冷态和液雾燃烧流场进行测量,试验研究在冷、热态情况下不同主燃孔参数对模型燃烧室内回流区的形成、轴向平均速度u,轴向脉动速度Urms,雷诺剪切应力u′v′分布的影响。研究结果表明:主燃孔参数变化对燃烧室内冷、热态流场有着重要的影响;燃烧室在燃烧情况下所得的中心回流区长度要比冷态短,但回流负速度、脉动速度和雷诺应力都明显大于冷态,所得的研究结果可为燃烧室优化设计提供有用的依据。

气量分配对双轴向旋流器燃烧室贫熄性能影响

针对采用双轴向旋流杯结构的某单头部矩形燃烧室,实验研究了头部进气面积及主燃孔布局对燃烧室贫熄特性的影响.实验结果表明:一、二级旋流器进气面积的变化对燃烧室贫油熄火性能有很大影响.一级进气面积增加20%可拓宽贫熄边界11.8%;二级进气面积增加20%可拓宽贫熄边界16.6%.相反,减小一、二级旋流器进气面积都使燃烧室的贫熄性能变差.此外,主燃孔布局的变化对燃烧室贫熄边界几乎没有影响.

湍流燃烧模型对双旋流燃烧室喷雾燃烧的影响

采用数值模拟与试验测量相结合的方法,研究扩展旋涡破碎模型、扩展二阶矩模型和涡团耗散概念模型等三种湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧流场的影响。在任意曲线坐标系下数值研究双级轴向旋流器环形燃烧室全流程流场,采用粒子图像测速仪测量燃烧流场气流速度分布,热电偶测量燃烧室出口温度分布。计算结果与验证试验数据比较表明:不同湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧影响较大,所得的回流区形状、速度、温度场以及出口温度分布等都不太相同,其中扩展二阶矩模型所得的结果与试验值符合最好,更适用于模拟双旋流环形燃烧室湍流喷雾燃烧。

进口轴向叶片旋流器强化管内换热的研究

对进口轴向叶片旋流器强化管内换热进行了试验研究，提供了传热和阻力的试验数据，分析了旋流器结构参数、管内Ｒｅ数、试验段长径比对传热和阻力的影响，得到了传热和阻力准则关联式，并对旋流器强化管内换热的热力性能进行了定量评价。试验表明：在试验范围内使用进口轴向叶片旋流器来强化管内换热总是有利的。

进口轴向叶片旋流器管内阻力和换热的研究

对进口轴向叶片旋流器管内阻力和换热特性进行了试验研究，分析了管内Ｒｅ数、试验段长径比以及旋流器结构参数对管内阻力和换热的影响，得到了管内阻力和传热准则关联式，并对旋流器强化管内换热的热力性能进行了定量分析。

两个轴向叶片式旋流器的旋流强度计算公式的探讨

介绍了两个常用轴向叶片式旋流器旋流强度计算公式的推导过程,分析了它们之间的关系及应用范围,为正确选用旋流强度计算公式提供参考.

进口轴向叶片旋流器与螺旋槽管的管内复合强化传热

对进口轴向叶片旋流器与左旋螺旋槽管、右旋螺旋槽管以及对称交叉螺旋槽管组成的管内复合强化传热进行了试验研究，给出了管内阻力和传热试验结果，得到了考虑复合攻角（旋向）因素在内的管内阻力和传热准则关联式，并对传热和流阻的综合热力性能进行了定量评价．试验表明：相同泵功和换热面积条件下，旋流器与螺旋槽管反向复合后的换热量可提高至光管换热量的1．9倍．

燃气轮机燃烧室预混结构性能的数值研究

采用Fluent软件对某旋流预混燃烧室燃料与空气的预混和燃烧进行了数值模拟，分析了轴向叶片式旋流器叶片参数对预混均匀性、回火特性、总压损失和污染物排放的影响，并提出了燃料喷孔结构的改进方案．结果表明：旋流器叶片遮盖度为1．0～1．5，叶片角度为40°～55°，叶片数目为8～12时能够获得较好的燃烧性能；缩小燃料喷孔的孔径，采用旋流器与燃料喷孔合并的结构，合理布置燃料喷孔的位置3种改进方案均能有效改善预混均匀性，降低燃烧的最高温度，3种改进方案依次使Nox的体积分数比原来降低91％、35％和91％．

双级轴向涡流器气量分配对燃烧室点火特性的影响

为研究双级轴向涡流器一、二级气量分配对燃烧室点火特性的影响,对4种不同气量比的双级轴向涡流器进行了单头部燃烧室点火试验,同时结合燃烧室头部流场和喷嘴匹配涡流器雾化试验结果对点火试验结果进行了分析。结果表明:随着一、二级气量比由0.55增加至1.28,涡流器出口旋流数、涡流器下游回流区宽度、回流空气流量以及喷雾锥角逐渐减小;过小的一、二级气量比会导致点火状态下的燃油粒径变大;点火边界油气比随着一、二级气量比的增加呈现先减小后增加的趋势,气量比为0.85~1的方案兼顾了流场和喷雾特性,获得了相对较好的燃烧室点火性能。

气量分配对双级轴向旋流器性能影响的试验研究

为研究一、二级气量分配对双级轴向旋流器流量特性及出口流场的影响,对不同气量分配的双级轴向旋流器开展了流量特性试验和PIV试验研究,获得了气量分配对旋流器流量、流量系数和出口流场的影响规律。试验结果表明:相同空气压差下,随着节流面积的增大,一级流量系数减小,二级流量系数变化不显著。一、二级面积比小于0.75时,一级流量系数大于二级流量系数;面积比大于0.75时,二级流量系数大于一级流量系数。随着一、二级气量比的增大,旋流器出口下游回流区速度降低,回流区外侧扩张锥面轴向速度和径向速度均降低,中心回流区变小。中心线轴向速度随气量比的增大先增后减。

双级轴向旋流器气量分配对流场特性影响的数值模拟与试验验证

为了探究双级轴向旋流器气量分配对流场特性的影响,对相同进口条件下不同旋流器流场特性进行数值模拟,并结合流量特性试验和粒子图像测速仪流场试验进行验证。结果表明:当第1、2级旋流器气量比由0.32增大到1.48时,旋流器下游轴向、径向速度降低,气流扩张角、回流区宽度以及回流率均减小;不同气量分配的第1、2级旋流在文氏管出口与套筒出口之间剧烈掺混,经过套筒出口后,旋流数均小于0.4;在相同的结构形式下,不同气量分配的双级旋流器通过改变第1、2级旋流器在文氏管出口处的旋流数,进而改变了第1、2级旋流相互掺混的强度,并最终影响了下游流场。

高温升直流燃烧室燃烧特性数值研究

为了研究高温升直流燃烧室燃烧特性,建立了带三级涡流器的高温升直流燃烧室物理模型,采用稳态雷诺平均N-S方程的化学反应流数值模拟的方法,开展Ⅱ、Ⅲ级径向涡流器旋向、主燃孔和掺混孔特征参数对高温升直流燃烧室的流场及燃烧特性的影响研究。涡流器能够实现火焰筒头部回流区的产生,同时实现主油路燃油的气动雾化和掺混。主燃孔的射流影响回流区的结构,同时主燃孔射流部分进入主燃区,能够保证主燃区的油气比。掺混孔的射流轨迹影响掺混区的流场和出口温度分布。10种方案燃烧室的温升和总压损失系数均达到设计要求,Mode-1-tx、Mode-3、Mode-3-tx、Mode-4-tx四种方案燃烧室周向温度分布系数(Overall temperature distribution factor,OTDF)达标,而径向温度分布系数(Radial temperature distribution factor,RTDF)略高于设计指标,Mode-5-tx方案燃烧室出口温度系数OTDF=0.178和RTDF=0.061均达标,燃烧室出口温度分布品质较好。

可调轴向叶片结构旋流强度计算与动力场特性分析

旋转射流对燃烧器的燃烧过程起着重要的作用,可调轴向叶片旋流器是实现旋转射流的重要途径。为了充分发挥可调轴向叶片旋流器的结构简单、阻力损失小、出口速度分布均匀以及调节性较好等优势,基于可调轴向叶片旋流器的工作原理,研究不同旋流强度下燃烧室内轴向速度、切向速度、径向速度的径向分布以及煤粉火焰温度的轴向与径向分布,对系统改变旋流器位置后可调轴向叶片旋流器的动力场特性进行分析,确定旋流器的结构参数并推导可调轴向叶片旋流器旋流强度的计算公式。研究结果表明:调节旋流器位置可改变气流轴向动能和切向动能的大小,导致旋流器出口附近轴线逆压梯度区的建立,使得气流反转以影响流场;随着旋流强度的增大,中心回流区面积增加,烟气温度峰值首先出现在燃烧器喷口附近,整个回流区内平均温度较高且比较均一,说明提高旋流强度有助于燃烧器内煤粉的稳定着火。

低排放塔式同轴分级旋流配比对燃烧流场的影响

以天然气-低排放塔式同轴分级燃烧室为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型和FGM燃烧模型研究了旋流器旋流数对热态流场的影响.结果表明:随着二级旋流数增加,中心级和一级流量增加,二级流量减少,燃料掺混均匀性提高,均匀指数最大提高0.061;压力损失小幅增加,而CO排放显著减少,燃烧效率提高且超过99%;模拟的各工况温度分布均匀,均形成稳定的回流区,燃烧稳定;对16种不同的旋流器方案进行筛选,选出0.7/0.8旋流器方案为最佳方案.

三级轴向旋流器影响燃烧室性能的试验

对装有4种不同三级轴向旋流器的燃烧室开展了常压下不同进口速度、进口温度和油气比状态下的燃烧室性能试验研究,获得了不同三级轴向旋流器燃烧室的流阻性能和燃烧性能.研究结果表明:各方案中三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数均随着进口速度的增大(由40m/s增加到70m/s)而增加;进口温度的升高对点火和熄火均有利;旋向组合为顺时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室性能与旋向组合为逆时针—逆时针—顺时针的三级轴向旋流器燃烧室燃烧性能相比,总压损失系数稍大、贫油熄火性能较优、燃烧效率稍低;内旋流器空气流量的减少可使得三级轴向旋流器燃烧室的总压损失系数增大、贫油熄火油气比和燃烧效率均有所降低.

试验研究旋流数对燃烧室气动性能的影响

为了深入了解双级轴向旋流器的旋流数变化对模型环形燃烧室内气流结构与气动性能的影响,采用粒子图像速度仪(PIV)对燃烧室内冷态和液雾燃烧流场进行测量,试验研究在冷、热态情况下不同旋流数对模型燃烧室内回流区的尺寸、平均速度(-u,-v)、脉动速度(urms,vrms)以及雷诺剪切应力u′v′分布的影响.研究结果表明:旋流数变化对燃烧室内冷、热态流场有着重要的影响;燃烧室在燃烧情况下所得的中心回流区长度要比冷态短,但回流区内速度、脉动速度urms增强.旋流数增大后,回流区内负速度减小,回流区宽度稍有缩小.在燃烧流场中,旋流数的变化对回流负速度的影响减弱.

三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火性能试验

对三级轴向旋流器燃烧室进行了不同进口速度、进口温度、三级轴向旋流器旋向组合和空气流量分配下的贫油熄火性能试验.研究结果表明:随着进口速度、进口温度的增加,三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火油气比减小,进口温度的升高对贫油熄火性能的影响显著;相同进口速度下旋向组合为逆时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比比旋向组合为顺时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比约高50%;内旋流器空气流量的减小可使得贫油熄火油气比有所减小,但减小的幅度不大.

主燃孔射流对模型燃烧室流动及燃烧影响的数值研究

数值研究不同主燃孔射流对模型燃烧室内湍流流动与液雾燃烧全流程流场的影响,采用微分方程和分区相结合方法生成包括突扩扩压器、帽罩、双级轴向旋流器、火焰筒及内外环通道的模型燃烧室三维结构化网格;在任意曲线坐标系下采用多区域耦合法计算模型燃烧室的流场.采用RNG(re-normalization group)k-ε湍流模型,旋涡破碎湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程;颗粒轨道模型模拟两相流动.计算结果与试验数据的比较表明:本计算方法与数学模型适用于预测模型燃烧室湍流冷、热态流场;主燃孔结构参数变化对气流温度分布的影响比对回流区尺寸与速度分布的影响更为明显,其中主燃孔Ⅱ的出口温度分布要比其他主燃孔的出口温度分布更为合理.

采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C2H6)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C2H6质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.