李 昊，林 明，張玉山，沈繼奎，陳春德

（中國(guó)人民解放軍91681部隊(duì)，浙江 寧波 315731）

中心突擴(kuò)燃燒室PIV實(shí)驗(yàn)研究

李 昊，林 明，張玉山，沈繼奎，陳春德

（中國(guó)人民解放軍91681部隊(duì)，浙江 寧波 315731）

利用PIV技術(shù)對(duì)兩種不同尺寸的中心突擴(kuò)燃燒室在不同入口速度條件下的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量并分析了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與來(lái)流速度、突擴(kuò)比、噴管收縮段等因素的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用PIV技術(shù)能較好地獲得高速條件下燃燒室二維速度場(chǎng)；對(duì)于不同突擴(kuò)比的燃燒室，突擴(kuò)面后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，但回流區(qū)的最大負(fù)速度與入口速度的比例關(guān)系不同；在噴管入口處，流場(chǎng)在此處重新形成旋渦，其直徑較大，但強(qiáng)度相對(duì)較弱。

中心突擴(kuò)燃燒室；PIV；實(shí)驗(yàn)

0 引 言

中心突擴(kuò)燃燒室是吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)（包括絕大多數(shù)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和部分沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)）廣為采用的一種燃燒室結(jié)構(gòu)。到目前為止，世界各國(guó)對(duì)該型燃燒室的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了較多的研究，如 Kenneth［1－2］對(duì)中心突擴(kuò)燃燒室進(jìn)行了氣體冷流和丙烷燃燒試驗(yàn)，測(cè)量了不同尺寸和流速時(shí)的振蕩頻率，并利用紋影技術(shù)對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行了拍攝，對(duì)振蕩燃燒的本質(zhì)作出了自己的解釋。Kailasanath［3］等對(duì)中心突擴(kuò)燃燒室渦聲相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。Akbari［4］也對(duì)該型燃燒室聲場(chǎng)和流動(dòng)的耦合關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，分析了影響壓強(qiáng)振蕩頻率的因素。Strakey［5］用二維PIV研究了冷流條件下旋流穩(wěn)定中心突擴(kuò)燃燒室的流動(dòng)特性，并以此為據(jù)比較了不同方法數(shù)值模擬所得結(jié)果的可靠性。Sengissen［6］對(duì)分別中心突擴(kuò)燃燒室冷態(tài)和反應(yīng)條件下的流場(chǎng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了燃油調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)所起的作用。但由于燃燒室本身流動(dòng)的復(fù)雜性，及人們對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越高的要求，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。

激光粒子成像測(cè)速（Particle Imaging Velocimetry）技術(shù)是在流動(dòng)顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用圖像處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種非接觸式流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。其突破了空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性，可在同一時(shí)刻記錄下整個(gè)測(cè)量平面的有關(guān)信息，從而獲得流動(dòng)的瞬時(shí)平面速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)等，因此PIV技術(shù)非常適于研究渦流、湍流等復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，是研究航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)特性的有效工具。國(guó)內(nèi)引入PIV測(cè)試技術(shù)已有十余年，在工農(nóng)業(yè)機(jī)械、航空航天、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，但目前多用于水流［7－12］或低速氣體［13－21］流場(chǎng)的測(cè)量。作者利用PIV技術(shù)研究了較高速度條件下中心突擴(kuò)燃燒室的流場(chǎng)特性。

1 試驗(yàn)裝置及模型結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置由斷路器、變頻器、高壓離心風(fēng)機(jī)、軟連接、CCD相機(jī)、粒子播撒設(shè)備、激光器、同步器、試驗(yàn)段和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等組成（設(shè)備連接關(guān)系如圖1所示，試驗(yàn)裝置實(shí)景照片如圖2所示）。激光器為Nd：Yag雙脈沖式激光器，最大工作頻率為15Hz；CCD的采集頻率為30幀／s；風(fēng)機(jī)為9－19－5.6A 型11kW高壓離心式風(fēng)機(jī)，最大流量為3619m3／h，最大全壓為7182Pa，可為該模型提供最大100m／s的入口速度，為獲得相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)，將風(fēng)機(jī)置于測(cè)試流場(chǎng)的下游，即采用吸氣式設(shè)置；變頻器為CHF100－7R5G／011P－4型通用變頻器，通過(guò)變頻器改變風(fēng)機(jī)輸入電壓的頻率，從而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)入口速度的目的。軟連接段內(nèi)部安裝了穩(wěn)流葉柵，一方面是為了隔離風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，另一方面是為了減弱風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)的影響。

示蹤粒子的選擇對(duì)完成試驗(yàn)至關(guān)重要。試驗(yàn)過(guò)程中考慮過(guò)生物質(zhì)粉、空心玻璃微珠、煙霧發(fā)生器產(chǎn)生的煙霧粒子、影視煙餅產(chǎn)生的煙氣粒子、不同粒徑的鋁粉等。最終選擇HWF－8高白填料氫氧化鋁作為示蹤粒子，粒子直徑為8μm。其理由是：（a）粒子直徑合適。一方面該粒子直徑小于10μm，滿足跟隨性的要求；另一方面如果粒子的直徑太小，則對(duì)CCD像素有更高的要求。HWF－8高白填料氫氧化鋁能同時(shí)滿足這兩方面的要求。（b）粒子反射特性較好。HWF－8粒子為純白色，光學(xué)反射特性比較好，CCD相機(jī)易捕捉。（c）價(jià)格低廉。由于PIV試驗(yàn)所需的粒子直徑很小，而試驗(yàn)過(guò)程中氣體流量很大（試驗(yàn)最大流量超過(guò)1kg／s），這為粒子回收裝置的設(shè)計(jì)增加了難度。HWF－8高白填料價(jià)格低廉，這也使粒子回收裝置的設(shè)計(jì)失去了意義。

為了研究不同外形尺寸對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響，分別設(shè)計(jì)了兩種不同突擴(kuò)比的模型。如圖3所示突擴(kuò)比為2的模型A和如圖4所示突擴(kuò)比為3的模型B（根據(jù)研究目的及測(cè)量方便，模型的橫截面設(shè)計(jì)為矩形，在垂直紙面方向尺寸相同），模型垂直紙面方向（Z方向）長(zhǎng)度為100mm，為了減少邊界效應(yīng)的影響，取該方向的中截面進(jìn)行測(cè)量。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of test rig

圖2 試驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.2 Picture of PIV test rig

圖3 模型A尺寸（單位mm）Fig.3 Model A dimension（mm）

圖4 模型B尺寸（單位mm）Fig.4 Model B dimension（mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對(duì)A、B兩種模型在不同速度、不同位置的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。

（1）中心突擴(kuò)燃燒室突擴(kuò)面后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖5為模型A試驗(yàn)圖片。從圖中可以看出，粒子比較清晰，在整個(gè)測(cè)量流場(chǎng)中都分布有一定濃度的粒子，這是獲得較好測(cè)量效果的先決條件。圖6為根據(jù)互相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件得到的流場(chǎng)矢量圖，坐標(biāo)系如圖3所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖中O點(diǎn)。

圖5 模型A試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.5 Test picture of model A

圖6 模型A流場(chǎng)矢量圖Fig.6 Flow vector of model A

試驗(yàn)條件為入口平均速度20m／s，激光頻率15Hz，即圖7中相鄰兩圖時(shí)間間隔0.067s。由于試驗(yàn)條件限制，直徑小于4mm的渦無(wú)法測(cè)出。

圖7清楚地展現(xiàn)了突擴(kuò)面后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，由圖可以看出，整個(gè)回流區(qū)形成一個(gè)大的旋渦，這是主渦結(jié)構(gòu)；同時(shí)大渦內(nèi)部又出現(xiàn)多個(gè)旋渦，即次渦結(jié)構(gòu)，從而形成大渦套小渦的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。隨著氣體向下游流動(dòng)，出現(xiàn)旋渦生成、發(fā)展、破碎、再生成的過(guò)程。從圖7（a）中可以看出旋渦在剪切層中生成，在x＝70mm處出現(xiàn)第一個(gè)旋渦（直徑大于4mm的渦，以下同），旋渦在向后運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中逐漸發(fā)展，直徑增大（圖7（b）），強(qiáng)度減弱（圖7（c）），直至破裂，同時(shí)新的旋渦在上游生成（圖7（d））的周期性過(guò)程。

（2）不同入口速度時(shí)均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖7 模型A突擴(kuò)面后流線圖Fig.7 Streamlines backward dump interface of model A

圖8 不同入口速度時(shí)均流場(chǎng)速度等值線圖Fig.8 Time average contours of different inflow velocities

由于瞬時(shí)速度具有較大的隨機(jī)性，取0.67s內(nèi)時(shí)均x方向速度場(chǎng)（即10個(gè)瞬時(shí)速度場(chǎng)的平均）進(jìn)行比較。圖8為入口速度分別為20m／s和60m／s時(shí)的時(shí)均流場(chǎng)速度等值線圖，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本類似，可見在高雷諾數(shù)條件下，回流區(qū)的形狀尺寸基本保持不變?；亓鲄^(qū)最大負(fù)速度均出現(xiàn)在x＞50mm處，即x／h＞1（其中h為臺(tái)階高度）區(qū)域，而在x＜50mm的回流區(qū)內(nèi)，流動(dòng)相對(duì)平靜。

圖9給出了在不同的入口速度條件時(shí)，回流區(qū)的最大負(fù)速度絕對(duì)值u1與入口速度u的關(guān)系（注意由于受試驗(yàn)視域的限制，不能一次性測(cè)出整個(gè)回流區(qū)的流場(chǎng)，此處的回流區(qū)僅指一次試驗(yàn)所能測(cè)量回流區(qū)域，即突擴(kuò)面至臺(tái)階后190mm范圍內(nèi)；圖9中的數(shù)據(jù)較圖8大，這是因?yàn)閳D8的圖例中并沒有給出最大最小值）。

圖9 模型A回流區(qū)最大負(fù)速度與入口速度的關(guān)系Fig.9 Relation of the recirculation maximal negative velocity and inflow velocity of model A

圖10 模型B試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.10 Test picture of model B

（3）不同突擴(kuò)比對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

圖10為模型B試驗(yàn)圖片。同樣，該圖中粒子比較清晰，分布比較均勻，濃度合適，滿足試驗(yàn)要求。坐標(biāo)系如圖4所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖中O點(diǎn)。圖11展現(xiàn)了模型B突擴(kuò)面后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。該流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與模型A相應(yīng)處的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，也包含主渦結(jié)構(gòu)與次渦結(jié)構(gòu)。圖12給出了在不同的入口速度條件時(shí)，模型B回流區(qū)的最大負(fù)速度絕對(duì)值與入口速度的關(guān)系。

（4）旋渦與噴管入口壁面的相互作用

圖11 模型B流場(chǎng)矢量圖Fig.11 Flow vector of model B

圖12 模型B回流區(qū)最大負(fù)速度與入口速度的關(guān)系Fig.12 Relation of the recirculation maximal negative velocity and inflow velocity of model B

圖13 旋渦向噴管入口運(yùn)動(dòng)圖Fig.13 Vortexs move to the exhaust nozzle

由于噴管的存在，在其入口處存在明顯的收縮，流場(chǎng)在此處重新形成旋渦，此處旋渦的特點(diǎn)是直徑較大，但強(qiáng)度相對(duì)突擴(kuò)處較弱。這是因?yàn)槿紵遗c噴管之間是平滑過(guò)渡。圖13展示了模型B旋渦向噴管入口處運(yùn)動(dòng)的過(guò)程（坐標(biāo)系如圖4所示，坐標(biāo)原點(diǎn)移至圖中O′點(diǎn)），圖14展示了旋渦與噴管壁碰撞導(dǎo)致破碎的過(guò)程（兩圖時(shí)間間隔0.067s）。

圖14 旋渦與噴管入口壁面碰撞圖Fig.14 Impact of vortex and the nozzle wall

3 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)中心突擴(kuò)燃燒室進(jìn)行的氣體冷流PIV實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）利用PIV測(cè)量方法能較好地獲得高速條件下燃燒室二維速度場(chǎng)；

（2）不同突擴(kuò)比的燃燒室，突擴(kuò)面后的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，即回流區(qū)的長(zhǎng)度基本保持不變，整個(gè)回流區(qū)形成一個(gè)大的主渦結(jié)構(gòu)，在主渦內(nèi)部包含有多個(gè)旋渦組成的次渦結(jié)構(gòu)，從而形成大渦套小渦的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。隨著氣體向下游流動(dòng)，出現(xiàn)旋渦生成、發(fā)展、破碎、再生成的周期性過(guò)程；

（3）對(duì)不同突擴(kuò)比的燃燒室，回流區(qū)的最大負(fù)速度與入口速度的比例關(guān)系不同，在低速時(shí)二者近似于正比例關(guān)系，但隨著入口速度的增大，斜率逐漸降低。在相同的入口速度條件下，模型B回流區(qū)的最大負(fù)速度絕對(duì)值小于模型A最大負(fù)速度絕對(duì)值；

（4）由于噴管的存在，在噴管的入口存在明顯的收縮，流場(chǎng)在此處重新形成旋渦，此處旋渦的特點(diǎn)是直徑較大，但強(qiáng)度相對(duì)突擴(kuò)處較弱，碰撞過(guò)程導(dǎo)致旋渦破裂。

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李 昊（1978－），男，安徽安慶人，博士研究生。研究方向：航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真。通訊地址：中國(guó)人民解放軍91681 部 隊(duì) 裝 備 處 （315731）；電 話：13028985035；E－mail：lihwenh ＠ sohu.com。

Study on centeral－dump combustor by PIV

LI Hao，LIN Ming，ZHANG Yu－shan，SHEN Ji－kui，CHEN Chun－de
（PLA Unit No.91681，Ningbo Zhejiang 315731，China）

Using particle imaging velocimetry（PIV）technology，gas cold flow field experiments are performed on conditions of different inlet velocities in two kinds of central－dump combustor.The relations are analyzed between flow structures and other factors，such as inflow velocity，expansion ratio，exhaust nozzle etc.Experiment shows 2－D velocity field of combustor can be obtained by means of PIV at high inlet velocity.For combustors of different expansion ratios，the field structures are similar，but the relations of the maximal recirculation negative velocity and inflow velocity are different.At the entrance of exhaust nozzle vortex reappear and the diameter is bigger，but the vorticity intensity is weaker.

central－dump combustor；PIV；experiment

V211.7；V231.3

A

1672－9897（2011）04－0045－06

2010－01－14；

2011－02－28