基于Damköhler数的支板稳定器贫油熄火分析方法研究

稳定器的贫油熄火边界预测对于燃烧室的设计具有重要意义。本文开展了支板稳定器的贫油熄火试验,得到了来流温度473~623 K,空气流速在60~130 m/s下的贫油熄火边界。通过数值模拟得到燃烧室的反应场和流场分布,分析了近熄火和稳定燃烧工况时Damköhler数的分布特性。结果表明,流动时间尺度在不同燃油流量下变化不大,化学时间尺度随燃油流量的降低而增大,在近熄火时,Damköhler数大于1的区域为两条明显的带状分布,仅在剪切层保持较高水平,回流区难以加热剪切层的新鲜混气,导致最终熄火;基于CO质量分数确定的关键反应区与实际火焰具有较好的一致性。不同熄火工况下反应区内的平均Damköhler数在1左右波动,最大误差22%,证明基于Damköhler数的贫油熄火分析方法能够揭示贫熄特征,为解决实际熄火预测提供基础。

基于Damköhler数的蒸发式值班火焰稳定器贫熄边界分析方法研究

为探究蒸发式火焰稳定器的贫油熄火性能的分析方法,在来流温度为400~640 K,尾流速度为85~153 m/s条件下,以蒸发式火焰稳定器为研究对象,开展了贫油熄火试验与数值模拟计算,得出了蒸发式火焰稳定器不同工况下的全局和局部Damköhler数(Da)分布特性。研究结果表明:(1)随着火焰稳定器尾缘速度增加,熄火油气比在高来流温度时呈现单调递增的趋势,而低来流温度时则呈现先减小再增加的趋势;随着来流温度的升高,熄火油气比减小。(2)随着燃油流量的增加,高局部流动时间和低局部化学时间区域均沿轴向变长。高Da区域主要集中在火焰稳定器剪切层附近,随着燃油流量的增加,高Da区域逐渐合并。(3)关键反应区内的全局流动时间随尾缘速度增加而缩短,随温度的升高而延长;关键反应区内的全局化学时间随尾缘速度增加而呈现先缩短后延长的趋势,随着来流温度升高呈现单调缩短的趋势。(4)不同熄火点工况下关键反应区内的Da在1左右,表明该方法可以对蒸发式火焰稳定器贫油熄火进行预测,并在不同来流工况具有一定的普适性。

等离子体拓展氨/空气预混旋流火焰贫燃极限

为探究等离子体对氨-空气预混旋流火焰贫燃极限及燃烧效率的影响规律,将等离子体等效为热源,结合计算流体力学(CFD)燃烧模拟手段分析不同当量比及等离子体放电位置下氨的燃烧特性.结果发现,布置等离子体等效热源后,氨-空气贫燃极限从0.82降至0.78以下,但同时伴随燃烧效率的下降.其原因主要在于等离子体放电输入热量可维持局部高温来防止火焰吹熄并提高局部火焰传播速度.然而,随当量比下降等离子体作用范围减小,导致部分氨逃逸进而引起燃烧不充分及燃烧效率下降.

旋流器构型对全环燃烧室性能的影响

为研究旋流器构型对燃烧室性能的影响,针对配装双级轴向旋流器和双级径向旋流器的全环燃烧室开展了实验研究。结果表明,在本文研究范围内,地面点火状态下,轴向方案和径向方案点火油气比分别为0.011~0.022和0.015~0.026,轴向方案比径向方案具有更宽的点火边界。轴向方案贫油熄火油气比为0.009~0.020,径向方案贫油熄火油气比为0.006~0.019,径向方案比轴向方案具有更宽的贫油熄火边界。在地面慢车和空中慢车状态下,轴向方案比径向方案具有更好的出口温度分布品质。轴向旋流器对应的燃烧室压力脉动强度显著强于径向涡流器:油气比为0.011时,轴向方案和径向方案的燃烧室主频分别为525 Hz和555 Hz,相对压力脉动分别为1.9%和0.3%;油气比为0.018时,轴向方案的燃烧室主频为475 Hz,相对压力脉动为1.1%,而径向方案无明显主频。

火焰筒头部结构对燃烧特性影响研究

火焰筒头部结构是影响预混燃烧的关键参数,试验研究了扩张角55°(渐扩)、90°(突扩)火焰筒分别匹配旋流数0.45、0.65旋流器对燃烧性能的影响。结果表明:突扩火焰筒较渐扩具有更低的贫油熄火极限,且无论突扩还是渐扩火焰筒,均匹配较大旋流数(S_(N)=0.65)具有更低的熄火极限;突扩型火焰筒温度场对旋流器适应性好,各旋流数下均获得较均匀温度场,出口温度分布系数为0.1313~0.1392;渐扩火焰筒对旋流器适应性差,匹配较小旋流数(S_(N)=0.45)温度场均匀性更好,出口温度分布系数为0.1335;突扩火焰筒在NOx排放上具有优势,且匹配小旋流数更佳;渐扩火焰筒在CO、UHC排放上具有优势,且匹配大旋流数更佳。

燃油周向分级对贫油熄火油气比的影响

为降低贫油熄火油气比,对双头部燃烧室进行了燃油周向分级贫油熄火模拟实验研究。实验考虑了进气速度、进气温度对贫油熄火油气比的影响。采用了三种不同长度的隔板来研究减少两个头部之间相互影响。试验结果表明:与不分级燃烧相比,燃油周向分级燃烧能够显著降低贫油熄火油气比。当燃烧室进气温度低于400K,贫油熄火油气比随燃烧室进气空气流速的上升而明显下降,当进气温度大于400K,贫油熄火油气比对燃烧室进气温度和速度不敏感;采取加在头部之间插入隔板的措施来降低燃烧室贫油熄火比,效果并不显著。

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。

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.

采用离心喷嘴的单凹腔驻涡燃烧室点火与贫熄特性

为了研究单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火特性，设计了一个带扩压器和内外机匣的单凹腔驻涡燃烧室矩形试验件，采用试验研究和半经验分析相结合的方法对其点火和贫油熄火进行了研究。试验在常压状态下进行，采用RP3航空煤油作为燃料，所用供油喷嘴为空心锥离心喷嘴，试验中的进口空气温度在287-487K变化，进口空气流量在0.2109-0.4219kg/s变化，对应进口马赫数从0.15变化到0.31。结果表明：单凹腔驻涡燃烧室的点火和贫油熄火油气比均随着燃烧室进口温度和进口流量的增加而减小，单凹腔驻涡燃烧室的点火油气比比贫油熄火油气比约大50%。经过半经验分析，得到了影响单凹腔点火和熄火的综合参数A，该参数能够较好地解释和评价各种因素对贫油熄火的影响。

航空发动机主燃烧室稳定工作范围研究

应用火焰传播理论、二维两相紊流燃烧的k-ε模型、EBU-Arrhen ius模型、颗粒群轨道模型和AD INA软件,计算出了某型在研航空发动机在不同飞行状态下的主燃烧室贫油熄火时的流场、温度场和压力场;计算值与试验结果比较吻合,证实了数值模拟的合理性和可行性。

旋流数对不含氢气的低热值燃气预混熄火特性的影响

设计了具有不同旋流数（0.6-1.2）的多个旋流器,针对以CO为主要成分且不含H2的低热值燃气（4.89-11.33,MJ/m3）进行实验,研究旋流对其预混燃烧熄火特性的影响.在实验参数范围内发现,热值越低的燃料,熄火时对应的旋流数越小;随着旋流数变化,熄火时火焰形状差异显著;N2对低热值燃料预混燃烧稳定性的负面作用比CO2更明显;通过实验得到能以预混燃烧方式稳燃低热值燃气（热值为4.89-5.28,MJ/m3且以CO为主要可燃成分）的旋流器结构和相关参数.

自稳火双旋流杯在非受限空间内的燃烧特性

采用试验方法研究了一种适用于切向驻涡燃烧室的自稳火双旋流杯在非受限空间内的燃烧特性.自稳火双旋流杯的方案特点是采用两级径向旋流器,燃油从中心离心喷嘴喷出,根据旋流器旋流强度和气量分配形成不同布局形式.在常温常压条件下,以RP-3航空煤油为燃料,测量了三种结构的自稳火双旋流杯火焰特性以及贫油熄火油气比,结果表明:随着内旋流器气量减少和旋流数增加,火焰稳定性将有所增强,但火焰长度及总体形状没有变化.

亚燃冲压模型燃烧室高空负压试验

为了验证亚燃冲压燃烧室在高空负压条件下稳定工作的能力,设计了带蒸发式值班火焰稳定器与直射式喷油装置的亚燃冲压模型燃烧室,对该模型燃烧室进行了冷态流阻试验、贫油熄火边界试验以及不同截面燃烧效率试验研究。研究结果表明,试验件的冷态流阻系数略大于1,冷态总压恢复系数0.98以上;蒸发式火焰稳定器贫油熄火边界较宽;两截面燃烧效率最低相差6%,最高相差19%,在高空负压条件下,增加燃烧段长度能显著提高燃烧效率。

基于特征参数准则的舰船燃机燃烧室贫熄预测

贫油熄火极限是衡量舰船燃气轮机燃烧室性能的重要参数之一,针对贫油熄火极限的数值预测,提出并详细阐述了特征参数准则的核心原理和预测流程,并使用计算流体力学(CFD)软件FLUENT数值模拟分析了某环形燃烧室和某环管型燃烧室的贫油熄火过程,得到了主燃孔及旋流器流量分配和油滴平均直径对燃气轮机贫油熄火极限的影响规律,并与实验值进行了对比。结果表明:使用特征参数准则所得计算值与实验数据误差较小,适用于指导工程实践。

扇形段与全环燃烧室熄火性能换算研究

为研究不同类型燃烧室试验件熄火性能之间的关系,开展了扇形段和全环燃烧室的熄火性能试验。通过试验对比了二者熄火规律的相似性和差异性,并分析了造成差异的主要因素。以Lefebvre熄火模型为基础,结合雾化数据,拟合得到扇形段与全环燃烧室的贫油熄火经验关系式,并推算出二者熄火性能的定量换算公式。结果表明:扇形段与全环燃烧室的熄火边界变化规律类似,但在相同的工作状态条件下,全环燃烧室的贫油熄火油气比小于扇形段的相应值。

突扩燃烧室在准稳态假设下的熄火过程对比分析

在准稳态假设条件下,运用数值模拟方法对火焰的边区驻留与旁侧驻留的两种突扩类型的亚燃冲压发动机燃烧室的熄火过程进行了分析。通过改变燃烧室进气流量和燃油当量比,对比分析了燃烧室在向熄火的压力下限和贫、富油边界转变过程中的流场特征和火焰形态变化。研究显示,中心突扩燃烧室在压力和燃油浓度下降过程中,熄火过程中表现为火焰锋面的中心收缩;旁侧突扩燃烧室则表现为突扩截面内温度的差异,以致火焰稳定功能的丧失。

预燃级内级旋流对燃烧室点/熄火性能的影响

常温常压条件下,在单头部矩形光学可视燃烧室试验件上,开展了预燃级内级旋流对点/熄火性能的影响研究,在此基础上,采用PIV和燃油PLIF光学诊断技术研究了火焰筒相对压降、预燃级燃油流量对流场结构及燃油空间分布的影响,结合流场和燃油分布试验结果,分析了预燃级内级旋流对点/熄火性能的影响,结果表明:预燃级内级有旋方案的点/熄火性能优于无旋方案,预燃级内级无旋将导致旋流器中心区域轴向产生高速正向射流,这不仅会破坏回流区结构,而且会影响燃油核心区的分布,这不利于点火器附近核心火团的生成和回流区火焰的稳定,最终导致点/熄火性能的恶化.

高温升燃烧室主燃区流场和燃烧性能

常温常压下,采用PIV技术研究了方案A(双旋流器/双油路离心喷嘴头部)和方案B(三旋流器/单油路气动雾化喷嘴头部)对高温升燃烧室主燃区流场的影响.在单头部矩形燃烧室上进行了慢车状态贫油熄火试验,在三头部燃烧室上进行了大状态下出口温度分布试验.试验结果表明,方案B的出口温度分布系数比方案A小41%,贫油熄火性能比方案A小了13.5%.用主燃区PIV流场结果分析了燃烧性能存在差别的原因.

改进的预测气体燃料贫油熄火边界的半经验公式

为了进一步考察采用气体燃料时,火焰体积(FV)模型对贫油熄火边界预测的适用性,推导了气体燃料的FV模型。经过对7种典型的航空发动机燃烧室(即采用双径向旋流器和双轴向旋流器,分别改变一级旋流器、二级旋流器的进气面积和主燃孔的个数)进行验证实验,并与液体燃料FV模型和Lefebvre模型的预测结果进行比较。结果表明,上述三种模型虽然基本都可以用于气体燃料贫油熄火边界的预测,但各自的预测精度不同。在实验范围内,气体燃料FV模型、液体燃料FV模型、Lefebvre模型的预测精度依次为±5.6%,±6.9%,±7.1%。气体燃料FV模型在预测气体燃料的贫油熄火边界时有最好的预测精度。

CO在旋流模型燃烧室中的贫熄特性

针对CO单一燃料在模型燃烧室中进行常压贫熄特性实验，随着进口流量的增大，在低流量下（小于244m^3／h）余气系数略有减小，在流量区间244～292m^3／h余气系数迅速减小，随着进口流量进一步增加（大于292m^3／h），余气系数缓慢减小直至基本保持不变．同时，针对不同近贫熄点工况进行数值模拟，并结合实验结果给出模型燃烧室局部速度场等的分布，指出在进气流量高和低两种情况下近贫熄状态呈现明显不同的局部特征，阐明导致贫熄性能差异的原因．