短螺旋燃烧室单侧受限旋流流动特性研究

• 作 者: 张军华
• 出 处: 中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 短螺旋燃烧室 单侧受限旋流火焰 进动涡核 本征正交分解 动态模态分解

本文的研究对象为一种新构型的短螺旋燃烧室,其最基本的特点为燃烧室的头部沿着发动机主轴线向周向倾斜了一定的角度,从而形成一种非轴向进气的结构。这种结构具有缩短发动机轴向长度、减少涡轮入口导叶数量和折转角、降低气动损失和所需涡轮冷却空气量的潜力。然而,由于短螺旋燃烧室的头部倾斜了一定角度,相邻头部的交界处增加了一段具有一定长度的侧壁面,其长度与头部倾斜角呈正相关。此时,燃烧室的旋流一侧受到侧壁面的约束,而另一侧却是非受限的,从而使燃烧室体现出单侧受限的旋流流动特征。为了对短螺旋燃烧室内的单侧受限旋流流动规律有更加深入且系统的认识,采用雷诺平均数值模拟、大涡模拟和实验对其进行了研究,相关研究内容总结如下:1)本文首先采用定常的雷诺平均数值模拟对七个不同头部安装角的燃烧室的流场进行分析,发现随着头部安装角的增加,旋流器下游回流区出现常规模态、单涡模态、临界模态和双涡模态。常规模态时展向截面上的旋涡为对称的环状;单涡模态时旋涡为马蹄状;随着流场逐渐变为临界模态和双涡模态,旋涡逐渐演化为封闭的环形。流场中出现不同旋涡模态及对应的旋涡形状与气动边界的形成与发展有关。气动边界位于侧壁面的下游,其可以抑制旋流的周向扩张,使切向角动量沿轴向的衰减被抑制,同时增大了燃烧室非受限侧回流区的径向压力梯度,因此使流场出现不同的旋涡模态。气动边界对燃烧导致的气体膨胀敏感,燃烧状态下气动边界对旋流的约束减弱,旋涡模态转换时对应的安装角比冷态的大。2)基于定常的雷诺平均数值模拟的结果,选取了属于常规模态、单涡模态、临界模态和双涡模态的四个燃烧室进行更进一步的研究。采用大涡模拟、粒子图像测速仪实验、本征正交分解和动态模态分解对单侧受限旋流中的进动涡核及其与火焰之间的相互作用进行了研究。结果表明:进动涡核和对称的相干结构是支配流场扰动的主要结构。进动涡核导致燃烧室回流区绕着旋流器中轴线进动,而对称的相干结构则引起回流区的变形。通过分析进动涡核引起的周向扰动波的强度,发现其在常规模态时最强,而在单涡模态时最弱,随着流场过渡到临界模态和双涡模态,其强度又逐渐增加。进一步的分析表明侧壁面的存在导致单侧受限旋流的剪切层厚度变厚,从而抑制了流动的绝对不稳定性,使进动涡核的强度变弱。随后采用动态模态分解对常规模态和临界模态的进动涡核与火焰之间的相互作用进行了研究。发现常规模态下进动涡核引起的压力脉动局限于旋流器内部,其能引起局部的热释率脉动但总热释率脉动较小。在临界模态,进动涡核引起的压力脉动不仅存在于旋流器内部,还呈现出向燃烧室远场传播的特征,且此时整体的热释率脉动较大。3)在对短螺旋燃烧室内的单侧受限旋流流动有较为清晰的认识后,对不同头部安装角的燃烧室的总体性能进行了初步的探索。考察了不同头部安装角的燃烧室的燃烧效率、总压损失、出口温度分布、回流流量以及出口流动角等参数,发现短螺旋燃烧室的燃烧效率都普遍高于常规燃烧室的,且其总压损失也较小、出口温度分布较均匀。但是其回流流量却比常规燃烧室的小,这可能会对火焰的稳定不利。出口流动角的结果表明短螺旋燃烧室出口的流动方向会偏离发动机轴线,从而有利于减小涡轮入口导叶折转角和数量。综合分析这些参数,可以认为当头部安装角为15°时的短螺旋燃烧室的性能比较优异,但仍需对其进行额外的优化设计,从而为未来的实际应用提供基础。