3旋流燃烧室头部冷态流场数值计算与试验验证

为了探究单管燃烧室壁面开设光学观察窗与3维倾斜冷却孔对燃烧室冷态头部流场结构的影响规律,利用CFD软件对某型发动机单头部燃烧室结构及简化结构的流场特性进行数值计算,并利用粒子测速仪(PIV)对开设光学观察窗的单管燃烧室头部冷态流场进行了试验验证。结果表明:单管燃烧室冷态流场数值计算结果与PIV测量结果基本相同,验证了数值计算的准确性。燃烧室进口空气流量的增加不影响燃烧室回流区的大小;单管燃烧室壁面冷却孔的布置位置对冷态流场中心回流区几乎无影响;在单管燃烧室水平方向壁面上开设光学观察窗,对水平方向的回流区影响较大,而垂直平面上的回流区几乎不受影响。

基于Gauss羽流模型低阶预估旋流燃烧室中守恒标量的空间分布

混合分数是表征燃料-空气混合的守恒标量,是湍流燃烧建模的关键参考标量.其空间分布通常通过三维数值模拟获得,然而对于几何形状复杂的燃烧器,三维数值模拟耗时长、成本高,导致燃烧器迭代设计过程效率低.该研究发展了基于Gauss羽流(Gaussian plume)模型的低阶模型来计算旋流燃烧室中的混合分数场,以加速燃料-空气混合策略的评估和参数化设计过程.相比传统的构型,新推导的Gauss羽流模型包含了径向对流的影响和针对旋流来流的修正.进一步发展了镜像反射模型来模拟壁面-羽流的相互作用,并引入相关修正来确保质量守恒.将新推导的Gauss羽流模型应用于甲烷旋流燃烧室混合分数场的低阶预测.基于数值收敛的三维数值模拟生成的数据库,首先采用最小二乘法对模型参数进行优化,然后在宽范围条件下验证了模型的预测精度.该研究不仅为旋流燃烧器内混合分数的快速预测提供了一种新方法,而且为Gauss羽流模型的进一步发展和应用提供了实例.

喷嘴特性对双旋流燃烧室出口温度分布影响的实验研究

本文以双旋流全环燃烧室为试验对象,在高温高压试验条件下,通过调整全环燃油喷嘴的流量离散度和径向位置来研究其对出口温度分布的影响。试验结果表明,当喷嘴燃油流量离散度控制在±4%以内时,采用简单的大、小流量喷嘴间隔搭配的方案即可保证出口温度分布的均匀性;当燃油流量离散度放大到4%~8%时,采用本实验研究的搭配方案仍可保证出口温度分布的均匀性;当燃油流量离散度放大到10%时,通过调整喷嘴搭配方案已经无法保证出口温度分布均匀性。燃油喷嘴径向位置较火焰筒头部中心线偏离旋流杯腔道高度的11.5%以内时,不影响出口温度分布的均匀性。

滑动弧等离子体激励对旋流燃烧室节油熄火特性的影响

针对航空发动机燃烧室在快速节油条件下扩稳防熄的迫切需求,为验证等离子体助燃(PAC)技术在拓宽动态熄火边界等方面的显著优势,建立了快速节油单头部旋流燃烧实验平台,并开展了滑动弧等离子体基于快速节油条件下的熄火特性研究。实验通过采集快速节油燃烧过程中OH*化学自发光信号,分析燃烧室熄火演化过程,对比研究了不同节油速率和流量下滑动弧等离子体激励对熄火特性的影响。研究表明,在动态节油下熄火边界明显小于准稳态条件下的熄火边界,随动态节油和进气流量的增大,熄火边界变窄;施加PAC后,助燃效果显著,节油条件下的贫油熄火油气比明显降低,尤其在较大节油速率和流量下仍能维持稳定燃烧。进气流量为15 m^(3)/h、节油速率为0.09/s时边界拓宽最大,由0.064拓宽到0.052,拓宽程度达到23%。

基于数值方法的燃气轮机贫预混旋流燃烧室单头部结构设计

为分析贫预混旋流燃烧室头部结构特性影响,采用计算流体力学方法研究了中心体端面形状、空气流量,燃料喷孔数量、位置,以及头部扩张比对燃烧火焰、流场及火焰动态响应的影响。结果表明:空气流速增大到一定值后,火焰形态基本保持不变;增加压力面燃料孔数量,高放热率区集中在中心回流区根部,同时增加压力面和吸力面燃料孔数量使得中心回流区根部温度更低,有降低热力NOx的趋势;增加火焰筒直径,有助于中心回流区沿径向扩张,导致火焰更长、更细;将中心体端面改成椭圆,会缩短火焰轴向长度;改变中心体端面形状基本不影响火焰传递函数幅值和相位,但增加燃料孔数量明显改变火焰传递函数相位。

燃气轮机贫预混多旋流组合燃烧室头部结构设计

根据势流理论对5种不同结构的多头部旋流器进行了讨论,从联焰、壁面温度、流场的角度选取其中3种形式的方案进行进一步的数值模拟研究,利用计算流体方法考察其主级和中心值班级燃烧器旋向对燃烧特性的影响。结果表明:主级采用不同旋向时有利于联焰,但非对称流场会出现热斑,对满负荷状态下NO_(x)污染物以及火焰筒冷却带来影响;当仅有值班级旋流与主旋旋转方向不一致时,郁金香形状火焰较长;当全部旋流器(主旋加值班级)的旋向相同时,仅有一个郁金香形火焰;当相邻两主旋旋转方向不同时,产生稳定的一对郁金香形火焰与一对开火焰。

燃烧室出流条件对涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性的影响

论文数值研究了不同燃烧室旋流器时序位置与旋流方向工况下,涡轮静叶叶栅气动特征,端壁附近流动结构,总压损失系数和端壁、叶表传热与冷却特性以及冷却气的流动趋势;建立了双环预混旋流器(TAPS)燃烧室简化模型,将其与涡轮第一级静叶叶栅进行整体数值计算。研究表明:本文计算采用的TAPS燃烧室模型旋流器出口旋流数为0.71,可以代表典型贫油预混燃烧室流动特征;火焰筒内壁发散冷却气会在静叶端壁附近形成高总压区,燃烧室旋流使中间叶展位置总压降低;正向旋流会在叶片前缘处分为两股,反向旋流则全部流入一个叶栅通道;燃烧室旋流冲刷会显著提升叶片吸力面上游换热强度,正向旋流会对下端壁压力面侧的冷却效果产生负面影响;槽缝射流局部吹风比在滞止点处最低,但旋流器正对叶片前缘时,旋流会削弱滞止点的影响;静叶端壁流动结构与传热、冷却特性受到燃烧室出流条件的显著影响,在进行叶栅气动性能优化与冷却结构设计时需对其加以考虑。

旋流杯燃烧室头部流场与喷雾对贫油熄火的影响

对两种不同的燃烧室头部(三旋流杯头部为A型、双旋流杯头部为B型)进行了研究。对有两种头部的燃烧室进行了冷态流场的数值模拟,用粒子动态分析仪(PDA)测量了两种头部的速度场和喷雾场,结合慢车工况的贫油熄火试验结果进行了分析。结果表明:A型头部喷雾的索太尔平均直径(SMD)和均匀度能满足燃烧室的性能要求,比B型头部的要好,但其贫熄特性不理想。而B型头部的贫熄特性好于A型;A型头部的内旋流器气流流通量应减小一些,以利于喷嘴端部低压区的形成,这样有可能进一步降低贫油熄火油气比。

高温升旋流燃烧室性能的数值分析

为了研究高温升燃烧室,采用数值研究的方法,对所设计的高温升多级旋流燃烧室和中心分级燃烧室与现有的单环腔燃烧室(SAC,原设计油气比为0.027)在设计油气比0.037条件下进行分析。研究结果表明:多旋流和中心分级的设计方案均可获得理想的燃烧性能参数,出口温度分布系数(OTDF)分别达到0.138和0.16,满足高温升燃烧室的设计指标,而SAC燃烧性能急剧恶化,不能满足设计指标。其中,中心分级燃烧室的技术优势十分明显,显示出作为高温升高热容燃烧室的发展前景;多旋流燃烧室则兼具高温升和低排放两方面优势。

旋流燃烧室内湍流燃烧速度场的实验研究

建立了采用分级进风方式的同轴射流旋流燃烧室实验装置,选用耐高温的氧化铝细粉作为示踪粒子,实现了用三维激光粒子动态分析仪(PDA)测量湍流旋流燃烧的热态瞬时速度场.在分级进风比率和旋流数不同的3组实验工况条件下,得到了气体时均轴向与切向速度、轴向与切向脉动速度均方根值和轴向-切向脉动速度二阶关联量的分布.

旋流燃烧室内同向和反向旋转射流湍流流动的数值模拟

针对发展高效低污染旋流燃烧技术的需要 ,对旋流燃烧室内两股同轴旋转射流相互作用的湍流旋流流动进行了数值模拟 .计算中采用了一种新的代数Reynolds应力模型和QUICK离散格式 .在两股射流同向旋转和反向旋转两种条件下 ,将模拟得到的燃烧室内湍流旋流流动的时均气体轴向速度场。

主燃孔对双旋流燃烧室流场的影响

通过试验和数值模拟的方法研究了主燃孔几何参数与布局对双旋流燃烧室内三维冷热态流场的影响。用粒子图像测速仪(PIV)对不同工况的冷热态流场进行测量,用多点温度耙对燃烧室出口温度分布进行测量,用多点取样管和气体分析仪对燃烧室出口气体成分进行分析。用商业软件Fluent对不同主燃孔时的燃烧室冷热态流场进行数值模拟。计算结果与试验数据相当吻合,表明在相同的进口条件下,燃烧室主燃孔的几何参数和布局变化对燃烧室的冷热态流场、出口温度及燃气成分分布有较大的影响。

旋流燃烧室内颗粒运动的数值模拟

本文应用流体相湍流脉动速度大小和方向均具有随机性的颗粒相随机轨道模型,对有直流一次风和旋流二次风的旋流燃烧室内的颗粒运动进行了数值模拟。得到的颗粒相轴向总质量流通量、轴向与切向速度分布与实验测量数据相符合,并比 Gosman 颗粒随机轨道模型的模拟结果有一定的改进。

旋流燃烧室内湍流燃烧的PDA实验研究

本文建立了采用分级进风的旋流燃烧室实验台，实现了用三维激光粒子动态分析仪（ＰＤＡ）测最湍流旋流燃烧的热态瞬时速度场。在一次风旋流数为０．６９的工况下，衍到了燃烧室内气体时均轴向与切向速度和轴向与切向脉动速度均方根值的分布。

一次风旋流数对燃烧室内湍流燃烧与NO_x生成的影响

本文在分级进风旋流燃烧室的实验装置上进行了湍流燃烧的实验研究。测量了在不同的一次风旋流数下,气体的时均温度、O2、CO2、CO和NO浓度的分布。利用实验测量结果分析了一次风旋流数对燃烧室内湍流燃烧及NOx生成的影响。

入流条件对同轴射流旋流燃烧室内湍流流动模拟的影响

应用一种新的代数 Reynolds应力模型对同轴射流旋流燃烧室内两股射流为同向旋转和反向旋转条件下的湍流旋流流动进行了数值模拟。为得到合理的流场分布结果 ,研究了入流条件对同轴射流旋流燃烧室内湍流流动模拟结果的影响。计算中对旋流燃烧室进口处两股旋转射流的轴向与切向速度采用了均匀分布和实验测量分布两种方式来给定。将两种进口速度分布条件下得到的燃烧室内气体轴向与切向速度分布计算结果与实验数据进行了比较。

分级进风对旋流燃烧室内湍流燃烧的影响

本文在分级进风旋流燃烧室的实验台上,测量了在不同的分级进风比率或二次直流风率条件下,湍流旋流燃烧的时均温度场、O_2、CO_2、CO和NO浓度场的分布。通过实验测量结果分析了分级进风对旋流燃烧室内湍流燃烧过程及NOx生成的影响。

旋流燃烧室内湍流流动的PIV实验研究

建立了微型燃气轮机旋流燃烧室实验台.采用二维粒子图像测速技术(PIV)测量了旋流燃烧室火焰筒内冷态速度场.旋流燃烧室主要由3个旋流器和1个侧壁开有测试视窗的圆筒段组成.在空气流量为0.114m3/s的工况下,得到了燃烧室火焰筒内气体时均切向速度分布及旋流燃烧室火焰筒中心截面和不同轴向横截面位置的速度矢量分布图.实验结果及其分析为旋流燃烧室的数值模拟计算和进一步的实验研究提供了基础.

旋流燃烧室内气体-颗粒两相湍流流动的数值模拟

综合应用代数Reynolds应力模型和流体相脉动速度大小和方向均具有随机性的颗粒相随机轨道模型 ,对旋流燃烧室内有直流射流与旋转射流相互作用的气 固两相湍流流动进行了数值模拟 .得到的气相轴向与切向速度和轴向脉动速度均方根值分布以及颗粒相轴向总质量流通量和轴向与切向速度分布与实验基本相符合 ,并比对气相湍流采用k ε模型的相应计算结果有较明显的改进 .

过贫当量比下贫预混旋流燃烧室点火燃烧特性

为确保贫预混旋流燃烧室能在过贫当量比条件下具有良好的点火性能,基于不同的点火燃料比,对贫预混旋流燃烧室在过贫当量比为0.013~0.502条件下的点火燃烧特性进行了实验研究.结果表明:在点火燃料比为10%、15%和20%条件下,贫预混旋流燃烧室能够分别在当量比区间为0.063~0.251、0.042~0.377和0.050~0.502内成功点火,并通过实验结果拟合计算出最小点火当量比分别为0.063、0.039和0.011;而燃烧室在点火燃料比为5%条件下均点火失败;随着当量比的减小,由于空气流量的增加而导致燃烧室出口温升逐渐减小,燃烧室烟气排放中CH4和CO浓度增加,燃烧效率也随之降低;虽然燃烧室在高点火燃料比时能够在更贫的当量比条件下点火成功,但由于过多的空气流量而导致燃烧室燃烧效率降低和污染物排放增多.保持一定的点火燃料流量对贫预混旋流燃烧室在过贫当量比条件下高效快速启动十分有利.