环形模型燃烧室燃烧不稳定模态实验研究

针对环形模型燃烧室燃烧不稳定模态开展实验测量研究,对燃烧室内的压力脉动及不稳定模态进行识别分析,探讨了当量比和周向火焰个数对燃烧不稳定模态和模态转变的影响规律.实验结果表明,环形模型燃烧室所有喷嘴均工作时,燃烧室内同时存在纵向模态和周向模态,且周向模态在驻波模态和旋转模态之间发生相互转变.当量比为0.72时燃烧室周向主导模态为负向旋转模态,其他当量比下为周向平均气流调制下的驻波模态.随着周向火焰个数的减少,环形模型燃烧室周向脉动幅值增加,脉动频率降低.不过周向火焰个数对周向脉动主导模态类型影响很小.

大涡模拟模型环形燃烧室污染特性

在任意曲线坐标系下,采用大涡模拟模型环形燃烧室两相燃烧流场中污染物的生成.用亚网格涡破碎(EBU)燃烧模型估算化学反应速率;分别用NO亚网格动力学模型与CO亚网格模型来模拟NO和CO的生成;采用随机离散模型模拟气液两相湍流流动,两相之间耦合采用PSIC算法.计算结果与瞬态速度场、出口温度和污染物质量分数分布的实验数据比较吻合,表明大涡模拟方法和亚网格模型可以用来预估实际燃烧室两相喷雾燃烧流场和污染物生成过程.

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。

环形燃烧室周向点火机理基础研究进展

先进航空发动机普遍采用环形燃烧室结构,其周向点火联焰机理对发动机点火可靠性具有重要研究价值。由于实验室尺度模型实验成本低、测量精度高,已经逐渐成为实验研究环形燃烧室点火机理的重要途径。本文介绍了国内外几种典型的实验室尺度环形燃烧室模型及其相关研究,包括法国巴黎中央理工大学EM2C实验室的MICCA燃烧室模型;剑桥大学的预混/非预混环形燃烧室模型;慕尼黑工业大学的缩比燃气轮机环形燃烧室模型;浙江大学的环形燃烧室和涡轮耦合的TurboCombo模型。环形燃烧室周向点火过程一般分为3个阶段:(1)初始火核的形成;(2)火核扩张发展,在点火针附近喷嘴处形成单个稳定的旋流火焰;(3)火焰沿周向传播,依次点燃全部喷嘴后稳定燃烧。影响周向点火联焰过程的因素众多,机理复杂,已有的实验和数值计算对当量比、点火模式、热功率、流速、喷嘴间距等因素影响下的点火、熄火、火焰传播模式、周向点火时间等特征规律进行了丰富的研究。近年来,在环形燃烧室模型上也逐渐开展了气液两相喷雾燃烧的相关研究。同时,高时空分辨率的先进激光诊断方法的引入也将进一步推动点火机理的更深入研究。

湍流燃烧模型对某燃气轮机燃烧室性能计算的影响

针对某型燃气轮机环形燃烧室,通过数值模拟,对比分析了Standard k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε、Standard k-ω、雷诺应力五种湍流模型以及简单概率密度模型(PDF)、有限速率模型、涡耗散模型(ED)、涡耗散概念模型(EDC)四种燃烧模型对环形燃烧室性能计算的影响。结果表明:Realizable k-ε模型模拟的冷态流场与PIV试验测量结果最符合;EDC模型最能合理的模拟燃烧效果,但在预测NO x排放时不如有限速率模型精确。以上结论为后续该型号燃气轮机环形燃烧室的数值计算和设计提供了参考。

基于随机粒子追踪方法的环形燃烧室点火动态模拟

为了深入研究低排放燃烧室点火联焰规律,在全新的环形模型燃烧室中开展了点火模拟和试验研究。点火模拟采用随机粒子追踪方法,能够基于时均冷态流场的仿真结果快速模拟火焰传播过程。环形燃烧室包含16个中心分级旋流器,仅向预燃级通入丙烷,用于模拟航空发动机低排放燃烧室点火状态下的空气燃油分级。试验采用PIV技术测量3个头部区域流场,利用高速相机拍摄火焰CH*/C2*基团化学发光信号。对多个流量和当量比条件下的联焰过程、联焰时间和传焰速率进行了分析,试验和模拟的结果均表明:环形燃烧室内火焰双向传播,燃烧室内外环流速度差异导致了双向火焰传播速度差,传焰速率随燃烧室湍流速度和当量比的增加而增加。点火模型很好地捕捉了环形燃烧室点火动态,所得传焰速率也符合湍流火焰传播规律,表明该模型具有较强预测能力。

环形燃烧室模型试验件冷态流场测量调试试验研究

为实现环形燃烧室模型试验件冷态流场测量,设计了环形燃烧室模型试验件,并在自模区工况下对采用粒子图像测速仪测量其内部冷态流场进行了调试。结果表明,可变视场透镜能很好地满足不同头部流场测量时视场变化的需求,试验件增透设计并配合滤光镜和圆偏振镜能很好地削弱试验背景光和试验件表面产生的反射光。单个头部、两个头部、六个头部获得了较好的测量结果,而环形流场因激光衰减、光腰厚度增加、测量分辨率降低,半环形流场因上下两个区域示踪粒子相关性较差,都没能实现测量,最终通过旋转试验件的方式实现了环形流场测量。所测结果能较好地揭示真实曲率效应影响下单个头部流场的细节结构、相邻两个头部之间的相互作用特性,及整个环形流场的结构特征,为环形燃烧室模型试验件冷态流场测量提供了有效方法。

燃气轮机环形燃烧室热态性能研究

目前,重型燃气轮机环形燃烧室应用比较广泛,技术也比较成熟,为了更好地理解其原型的设计思想,了解其工作特性,借助CFD软件FLUENT对燃气轮机环形燃烧室100%运行工况进行了热态性能分析,将有值班燃烧和无值班燃烧的情况以及使用ED模型与有限速率/ED模型的计算结果进行了对比;还针对燃烧室燃烧速度场和温度场的情况进行了计算。证实了值班燃烧对于燃烧稳定的重要性,以及选择合适的燃烧模型的重要性,并且验证了此类型的燃烧室在100%工况工作时,温度、流场分布均较为合理的特性,研究成果可为后续燃机项目的安全运行和燃烧室的设计改进提供参考。

折流燃烧室外环前端发散孔综合冷却效率模型实验

针对某型折流燃烧室外环壳体前端典型区域,设计了模拟主流局部流场的发散冷却模型.通过红外热像仪测量发散孔板表面的温度场,分析比较了吹风比、发散孔阵列方式、孔径及开孔率对综合冷却效率的影响.发散孔阵列方式有正菱形、长菱形和超长菱形3种,孔径变化范围为0.6~1.0mm,开孔率范围为3%~6%,吹风比变化范围为1~6.结果表明:由于壳体前端回流区的影响,发散孔板综合冷却效率沿主流方向整体呈现先升高后降低的趋势.吹风比为2时的综合冷却效率最高,发散孔阵列呈长菱形排布较优.在相同的开孔率下,孔径的减小有利于改善综合冷却效率.发散孔板开孔率从3%增加到4.8%可以显著提高综合冷却效率.