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。

轴向旋流器阻力性能分析

分析了轴向旋流器的流动情况，发现其流动与弯管流动极为相似，从而导出了其阻力系数表达式，并作了实验验证。

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。

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.

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.

轴向旋流器几何对回流区的影响

采用FLUENT软件对单级轴向旋流器进行冷态流场数值模拟,研究中改变了多种旋流器几何结构参数,获得了回流区尺寸与强度的变化规律,拟合了计算回流区长度的经验公式.通过与实验结果比较发现:所发展的回流区特征参数经验公式能够较准确的估算回流区长度,误差不超过5%;回流区长度随旋流数及扩张比的增大而减小;回流区宽度随扩张比的增大而增大;回流区涡心截面的回流比受旋流器几何参数影响比较复杂;存在临界文氏管扩张角为43°,回流区形态在临界角两侧有很大差异.

双级轴向旋流器设计参数对燃烧室点火性能影响规律

为有效提升航空发动机燃烧室点火性能,以双级轴向旋流器为研究对象,采用三种气动结构参数为设计变量,开展了旋流器优化设计与燃烧室点火性能研究。研究通过试验测量了不同旋流器匹配的单头部燃烧室地面点火与模拟高空点火油气比,获得了旋流器气动结构参数与燃烧室点火性能之间的关联。研究结果表明:在保持总有效面积和内旋流数不变条件下,外旋流数从1.77增加至2.15时,燃烧室点火性能呈现先降低后升高的趋势,较小外旋流数点火特性更佳;内外有效面积比对高空低压工况燃烧室点火性能影响显著,在比值为3∶7时点火特性最佳。在保持其他结构参数不变条件下,文氏管喉道半径对燃烧室高空点火性能影响显著,喉道半径为8 mm时具有较好点火特性。

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。

轴向入口油水分离水力旋流器及其数值模拟

介绍了一种用于油水分离的新型水力旋流器——轴向入口水力旋流器,与切向入口水力旋流器相比其结构更加紧凑,更适合于由多个水力旋流器单体构成的组合产品。同时,运用FLUENT软件对其油水分离情况进行了三维数值模拟,计算中采用RSM湍流模型、MIXTURE两相流模型。数值计算结果表明,轴向入口水力旋流器具有良好油水分离效率,值得在石油行业的采油废水处理中进行应用和推广。

油井采出液预脱水用轴向水力旋流器的数值模拟

为提高油田经济效益,需对高含水油井采出液进行预脱水处理,轴向水力旋流器是较为理想的预脱水设备。借助Fluent对所设计的轴向水力旋流器内部流场进行了研究,得到速度场和压力场的分布情况,并基于此开展正交数值试验,探究不同结构参数对旋流器分离性能的影响,随后通过单因素数值试验考察了多个结构参数对分离性能的影响。研究结果表明,所考察的排油管直径、大锥角、小锥角、叶片高度、叶片螺旋升角和叶片数都将影响旋流器的分离性能,分析后认为最优的参数组合为排油管直径26 mm、大锥角25°、小锥角2°、叶片高度10 mm、叶片螺旋升角65°、叶片数为8。所得成果对于推动轴向水力旋流器的工业化进程有重要的参考价值。

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.

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。

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。

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.

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.