双旋流环形燃烧室试验研究与数值模拟

摘要

本文采用粒子图像测速仪(PIV)测量了两种双级旋流器模型环形燃烧室冷态和热态流场，试验研究不同型式旋流器(轴向，斜切径向)、进口气流参数(进气温度、油气比）、火焰筒头部结构参数(旋流器叶片安装角、主燃孔尺寸和位置)对冷态和液雾燃烧流场的影响；此外，还采用PIV试验研究不同进口气流参数对斜切径向旋流器模型环形燃烧室油雾场的影响。
　　 本文利用温度耙测量双级旋流器模型环形燃烧室的出口温度径向分布，试验研究不同型式双级旋流器、进口气流参数、火焰筒头部结构参数对燃烧室出口温度分布的影响。另外，还利用红外热像仪测量双级轴向旋流器模型环形燃烧室火焰筒壁面温度分布，利用多点取样管和气体分析仪测量双级轴向旋流器模型环形燃烧室的燃烧性能(贫油熄火极限、燃烧效率、污染物CO和NO排放等)，试验研究不同进气温度、油气比和旋流器参数、主燃孔参数对其火焰筒壁面温度分布和燃烧性能的影响。
　　 试验结果表明：
　　 1）旋流器的型式、旋流器叶片安装角、主燃孔参数以及进口气流参数的变化对燃烧室冷、热态流场(如回流区尺寸，平均速度和脉动速度分布等)都有不同程度的影响。其中，旋流器的型式及主燃孔参数变化对中心回流区几何尺寸以及气流速度分布的影响要比旋流器叶片安装角的影响大些；因此，为了得到较好的燃烧室气动性能，合理地选择旋流器的型式，优化主燃孔布局要比旋流器叶片安装角的选定更为重要。在燃烧情况下所得的中心回流区长度要比冷态短，但回流速度、脉动速度（(ut2)、(vt2）和(wt2)）和雷诺应力((utvt）和(vtwt))都明显大于冷态；另外，随着进气温度增加，燃烧室冷态和燃烧流场的回流区长度都相应稍有减少。
　　 2）旋流器的型式、旋流器叶片安装角、主燃孔参数以及进口气流参数的变化对燃烧室出口温度分布有一定影响，但出口温度分布变化趋势大致相似，随着进气温度合油气比增加，燃烧室出口温度相应地提高。
　　 3）旋流器几何参数、主燃孔布局、进气温度和油气比对燃烧室燃烧性能和火焰筒壁温都有影响，其中油气比对燃烧室燃烧性能影响较为明显，而油气比对火焰筒壁温分布影响不太大。
　　 4）进口气流参数(进气温度、油气比和进口流量)对油雾场都有不同程度的影响，其中，进气温度的影响比油气比更为显著。
　　 本文还利用商业软件FLUENT对两种双级旋流器模型环形燃烧室进行三维冷、热态整体流场计算，数值分析两种模型燃烧室内冷态和液雾燃烧流场、燃烧室出口温度分布、燃烧性能分布规律，数值计算结果与试验数据符合较好，表明本文选用的数学模型和计算方法合理，所得的研究结果可为先进的环形燃烧室优化设计与研制提供依据。