王于藍(lán), 范雄杰, 高 偉, 劉存喜,3,*, 楊金虎,3,劉富強(qiáng),3, 穆 勇,3, 徐 綱,3,*

1. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 中國(guó)科學(xué)院輕型動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國(guó)科學(xué)院 輕型動(dòng)力創(chuàng)新研究院, 北京 100190

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能從而對(duì)渦輪做功[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，而燃燒室可以說(shuō)是“心臟”的“心臟”。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室由傳統(tǒng)富油頭部設(shè)計(jì)向多級(jí)旋流燃油分級(jí)的貧油頭部設(shè)計(jì)發(fā)展[2]，燃燒室頭部進(jìn)氣量大幅增加，流場(chǎng)組織、燃油霧化、油-氣混合、燃燒組織等都在燃燒室頭部完成，燃燒室頭部的流場(chǎng)組織在燃油霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒組織中的作用越來(lái)越重要，決定著燃燒室的點(diǎn)/熄火穩(wěn)定工作邊界、出口溫度分布質(zhì)量、污染物排放水平和火焰筒壽命等燃燒性能。

為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、壽命、污染物排放和安全性等性能要求，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫升燃燒室和民用發(fā)動(dòng)機(jī)的低污染燃燒室普遍采用先進(jìn)的分區(qū)分級(jí)耦合燃燒組織方法，如貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒(LPP)、富燃-淬熄-貧燃燃燒(RQL)以及貧油直接噴射燃燒(LDI)等[3-5]。這些先進(jìn)的燃燒組織思想已經(jīng)部分成功運(yùn)用于在役軍用和商用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，如美國(guó)通用電氣(GE)的雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室(TAPS)，英國(guó)羅爾斯·羅伊斯(RR)的Lean-burn燃燒室，普惠(PW)公司的TALON燃燒室，日本宇航局(JAXA)的Lean-stage燃燒室等。這些先進(jìn)燃燒室采用多級(jí)旋流器的燃燒室頭部結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)組織過(guò)程和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，湍流強(qiáng)度高，且流場(chǎng)特性受旋流器氣動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和燃燒室結(jié)構(gòu)影響大。國(guó)內(nèi)外均對(duì)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了大量的數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究[6-7]，數(shù)值仿真方法雖然可以得到較完整的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，但由于燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的高湍流度，并且旋流流動(dòng)與火焰筒受限空間及其形狀耦合，同時(shí)旋流流動(dòng)過(guò)程受旋流器及其出口位置的微小結(jié)構(gòu)影響較大，數(shù)值模擬方法尚不能得到完全真實(shí)的流場(chǎng)信息，尤其是在燃燒狀態(tài)下，對(duì)帶化學(xué)反應(yīng)的湍流模擬更加困難。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)組織機(jī)理及流場(chǎng)特性研究仍然以流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)為主。

先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)或工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室普遍采用環(huán)形燃燒室，具有機(jī)匣和火焰筒兩層結(jié)構(gòu)，火焰筒上設(shè)計(jì)主燃孔、補(bǔ)燃孔、摻混孔等大孔結(jié)構(gòu)和多種類(lèi)型的氣膜或發(fā)散冷卻小孔等，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀各異，徑向尺寸達(dá)到米量級(jí)，幾何尺度范圍寬，無(wú)論是接觸式測(cè)點(diǎn)布置還是光學(xué)診斷的光路布置都相對(duì)困難[4]。為更好地捕捉燃燒室內(nèi)流場(chǎng)特征，流場(chǎng)測(cè)試手段不斷發(fā)展，激光診斷技術(shù)由于不干擾流場(chǎng)，已被廣泛運(yùn)用于燃燒室流場(chǎng)測(cè)量中，并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光器技術(shù)、圖像采集及處理技術(shù)的快速發(fā)展，其流場(chǎng)測(cè)量精度逐漸提高。如單點(diǎn)測(cè)量的熱線風(fēng)速儀(HWA)、激光多普勒測(cè)速儀(LDV)和平面測(cè)量的粒子圖像測(cè)速儀(PIV)等，國(guó)內(nèi)外大多借助這些成熟的流場(chǎng)診斷技術(shù)對(duì)燃燒室流場(chǎng)開(kāi)展研究，并且向高頻和三維體測(cè)量方向發(fā)展，同時(shí)也在積極探索新的測(cè)量方法[6]。美國(guó)密歇根大學(xué)、辛辛那提大學(xué)和普渡大學(xué)等與GE的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)、歐洲各個(gè)高校與RR公司、日本宇航局(JAXA)、德國(guó)宇航局(DLR)和法國(guó)宇航局(ONERA)等均建立了較為完備的燃燒室流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)，借助光學(xué)模型燃燒室進(jìn)行了大量的流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司下屬的動(dòng)力所聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等航空航天院校、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心等基于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研制需求，在光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件內(nèi)開(kāi)展了大量的流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)研究。這些光學(xué)模型燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)研究在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外研究院所和發(fā)動(dòng)機(jī)公司的重視。

光學(xué)模型燃燒室是研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場(chǎng)組織機(jī)理和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵載體，但由于目前在光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件設(shè)計(jì)方面缺少共識(shí)，設(shè)計(jì)什么樣的光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件困擾著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒組織基礎(chǔ)問(wèn)題或應(yīng)用基礎(chǔ)研究的科研工作者和燃燒室工程研制的工程師。即使上文提到的成熟流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室時(shí)，也受到燃燒室內(nèi)的高溫高壓燃燒惡劣環(huán)境和復(fù)雜結(jié)構(gòu)引起的光路布局等限制，影響精度和測(cè)試空間。本文重點(diǎn)總結(jié)光學(xué)模型燃燒室的發(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)分析在光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)流場(chǎng)測(cè)量需要考慮的要求和存在的問(wèn)題，進(jìn)一步，分析兩類(lèi)典型燃燒室的流場(chǎng)特征，從而把燃燒室本身的流場(chǎng)特征與模型試驗(yàn)件設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，以期為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制過(guò)程中燃燒室光學(xué)模型試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)提供支撐。

1 光學(xué)可視模型燃燒室

光學(xué)可視模型燃燒室的作用是模擬燃燒室內(nèi)的真實(shí)氣動(dòng)、霧化和燃燒特征，并且滿足光學(xué)測(cè)量裝置的光路布置要求。為深入認(rèn)識(shí)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)組織機(jī)理和流場(chǎng)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同的研究目標(biāo)，開(kāi)展了大量的相關(guān)研究[1,4]。為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)組織過(guò)程和流場(chǎng)特征，其模型燃燒室試驗(yàn)件的發(fā)展趨勢(shì)為從開(kāi)放空間到受限空間、從常溫常壓到中溫中壓甚至高溫高壓、從冷態(tài)流場(chǎng)到燃燒條件下的熱態(tài)流場(chǎng)和從單頭部到多頭部甚至全環(huán)燃燒室等(見(jiàn)圖1)，為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制過(guò)程中相關(guān)燃燒問(wèn)題的解決和新型燃燒組織技術(shù)的發(fā)展提供了支撐，有效促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研制。

根據(jù)圖1，光學(xué)可視模型燃燒室設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是模擬真實(shí)燃燒室的真實(shí)工作條件并捕獲燃燒室內(nèi)的氣動(dòng)、霧化和燃燒等物理參數(shù)。受經(jīng)濟(jì)因素、試驗(yàn)條件、測(cè)量技術(shù)和測(cè)點(diǎn)及光路空間布局限制，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制過(guò)程中，光學(xué)可視模型燃燒室的設(shè)計(jì)采用對(duì)測(cè)量參數(shù)數(shù)量及其空間、燃燒室結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣參數(shù)等進(jìn)行折中的方法。光學(xué)可視模型燃燒室試驗(yàn)件向3個(gè)方向發(fā)展：1) 高溫高壓模型燃燒室試驗(yàn)件。其更加接近燃燒室的真實(shí)工作參數(shù)，忽略燃燒室頭部之間相互作用，并且對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只能采用少量能承受燃燒室內(nèi)高溫高壓惡劣環(huán)境的測(cè)量技術(shù)，測(cè)量參數(shù)受限，試驗(yàn)費(fèi)用高，適用于技術(shù)成熟度達(dá)到TRL3的燃燒室技術(shù)研究。2) 含真實(shí)火焰筒并且工作在真實(shí)環(huán)境下的燃燒室試驗(yàn)件。該試驗(yàn)件充分考慮了進(jìn)氣參數(shù)、燃燒室的結(jié)構(gòu)和頭部之間相互作用，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受測(cè)量方法在高溫高壓下的環(huán)境適應(yīng)性和空間布局等限制，只能測(cè)量極少量參數(shù)，試驗(yàn)費(fèi)用較高，適用于技術(shù)成熟度達(dá)到TRL5-TRL6的燃燒室技術(shù)研制。3) 全環(huán)燃燒室模型試驗(yàn)件。該試驗(yàn)件充分考慮了燃燒室頭部之間耦合相互作用，采用縮放或真實(shí)燃燒室頭部結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化火焰筒結(jié)構(gòu)，大多在常溫常壓條件下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，測(cè)量參數(shù)受環(huán)境適應(yīng)性和空間布局等因素的限制較小，試驗(yàn)成本相對(duì)較低，適用于技術(shù)成熟度達(dá)到1級(jí)的燃燒室技術(shù)研制和燃燒組織機(jī)理基礎(chǔ)研究。

圖1 光學(xué)可視模型燃燒室試驗(yàn)件發(fā)展趨勢(shì)Fig. 1 The development of optically accessible model combustor

1.1 旋流杯光學(xué)模型燃燒室

旋流杯光學(xué)模型燃燒室(以下簡(jiǎn)稱“旋流杯模型燃燒室”)是美國(guó)GE公司發(fā)展的用于燃油霧化和油氣混合的燃燒組織技術(shù)，由于其良好的燃油霧化質(zhì)量和燃燒室穩(wěn)定性，在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，如CFM56[8]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)旋流杯模型燃燒室開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，辛辛那提大學(xué)在旋流杯模型燃燒室的流場(chǎng)組織機(jī)理研究和模型燃燒室試驗(yàn)件設(shè)計(jì)方面都作出了較大貢獻(xiàn)[9-12]，在旋流杯模型燃燒室流場(chǎng)研究過(guò)程中依次發(fā)展了受限空間單頭部模型燃燒室、真實(shí)火焰筒結(jié)構(gòu)的單頭部模型燃燒室和多頭部模型燃燒室。首先，借助受限空間單頭部模型燃燒室在常溫常壓條件下開(kāi)展了限制域有/無(wú)、限制域尺寸和旋流器參數(shù)等對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。其次，對(duì)于采用RQL燃燒技術(shù)的旋流杯模型燃燒室，頭部的旋流與主燃孔、補(bǔ)燃孔和摻混孔射流相互作用對(duì)燃燒穩(wěn)定邊界、污染物排放和出口溫度分布質(zhì)量等有重要影響，Hassa等[13]和Mohammad等[14]借助帶主燃孔、補(bǔ)燃孔和摻混孔、更接近真實(shí)燃燒室結(jié)構(gòu)的光學(xué)模型燃燒室開(kāi)展了旋流與射流混合過(guò)程及其流場(chǎng)特征的研究。最近，燃燒室頭部之間及其與側(cè)壁相互作用引起研究者的重視，Kao等[10]和Kwong等[15]借助直線型多頭部模型燃燒室開(kāi)展了頭部個(gè)數(shù)、頭部間距、軸線安裝位置和側(cè)壁距離等對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響研究。

圖2 辛辛那提大學(xué)旋流杯模型燃燒室試驗(yàn)件[9-15]Fig. 2 Swirl cupmodel combustor rig in University of Cincinnati [9-15]

為進(jìn)一步模擬燃燒室的真實(shí)進(jìn)氣條件，旋流杯模型燃燒室試驗(yàn)件向高溫高壓方向發(fā)展。德國(guó)宇航局(DLR)[16]和法國(guó)宇航局(ONERA)[17]在高溫高壓模型燃燒室設(shè)計(jì)及測(cè)量方面一直處于領(lǐng)先地位，國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)近年來(lái)也在積極探索高溫高壓旋流杯模型燃燒室及其對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法。Willert等[16]在2001年已完成了2 MPa和850 K進(jìn)氣條件的高溫高壓光學(xué)可視模型燃燒室試驗(yàn)件設(shè)計(jì)，并采用PIV開(kāi)展了流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)燃燒室出口的臨界節(jié)流孔板控制空氣流量和壓力，主流空氣按2∶1的比例分別進(jìn)入燃燒室頭部和內(nèi)側(cè)可視窗的冷卻狹縫。西北工業(yè)大學(xué)的Xiao等[18]采用真實(shí)火焰筒結(jié)構(gòu)，利用從燃燒室試驗(yàn)件尾部進(jìn)光側(cè)面拍攝的方法，在0.55 MPa和300 K的進(jìn)氣條件下分析了主燃孔和摻混孔與旋流流場(chǎng)的耦合過(guò)程及其對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

1.2 分區(qū)分級(jí)耦合燃燒光學(xué)模型燃燒室

分區(qū)分級(jí)耦合燃燒技術(shù)是低排放燃燒室和高溫升燃燒室普遍采用的燃燒組織方法，也是目前國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制致力突破和創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2,5]。下面針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外在新型燃燒室研制過(guò)程中普遍采用的典型光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件進(jìn)行分析和總結(jié)。

1) TAPS模型燃燒室。美國(guó)密歇根大學(xué)為研究TAPS燃燒室在不同狀態(tài)下的流場(chǎng)特征(剪切層、回流區(qū)等)，設(shè)計(jì)了高壓燃燒室模型[19-20]，如圖5所示。模型燃燒室的圓筒形高壓機(jī)匣內(nèi)安裝了TAPS燃燒室的燃油噴嘴和火焰筒，燃燒室機(jī)匣耐壓能力為1 MPa。為便于光學(xué)測(cè)量，燃燒室壁面設(shè)計(jì)了3個(gè)可視窗，其中上側(cè)可視窗用于圖像采集，水平方向成180°的2個(gè)窗口分別用于讓激光進(jìn)入燃燒室和激光經(jīng)過(guò)測(cè)試區(qū)后透過(guò)燃燒室，從而減小激光在燃燒室可視窗之間反射而產(chǎn)生的信號(hào)噪聲。為保證進(jìn)入燃燒室的空氣分布均勻，在主燃燒室的上游設(shè)計(jì)了一個(gè)整流段，依次采用多孔孔板、玻璃珠和蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)來(lái)流空氣進(jìn)行整流。同時(shí)，燃燒區(qū)下游的火焰筒上分布有一排冷卻孔，這種冷卻布置使火焰筒的冷卻過(guò)程與真實(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室相同，進(jìn)一步保證了模型燃燒室內(nèi)流場(chǎng)與真實(shí)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的相似性。試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)入TAPS燃燒室頭部的空氣量和冷卻空氣量比例沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試，而是通過(guò)旋流器和冷卻孔的有效面積計(jì)算得到。

圖5 密歇根大學(xué)TAPS燃燒室模型[19]Fig. 5 TAPS model combustor of University of Michigan[19]

2) Lean-burn燃燒室模型。德國(guó)宇航局(DLR)在研究RR公司的Lean-burn低污染燃燒室過(guò)程中設(shè)計(jì)了如圖6所示的光學(xué)研究試驗(yàn)臺(tái)和燃燒室[21-22]。為獲取燃燒室在實(shí)際工況下的燃燒流場(chǎng)數(shù)據(jù)，模型燃燒室耐壓能力高達(dá)2 MPa，進(jìn)口空氣溫度為850 K，空氣質(zhì)量流量為10 kg/s。為滿足光學(xué)可視化測(cè)量光路布置的需要，整個(gè)試驗(yàn)件測(cè)量段高壓機(jī)匣設(shè)計(jì)成矩形而不是圓形，方便相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)、LDV、PIV和OH-PLIF等光學(xué)診斷設(shè)備在此試驗(yàn)件上的使用?？梢暣安ＡЭ梢匝亓鲃?dòng)方向調(diào)整位置，以適應(yīng)不同軸向位置速度場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中發(fā)射光源光路和接受信號(hào)光路的布置。為滿足測(cè)試區(qū)尺寸要求，德國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)了具有較大可視窗口的BOSS光學(xué)可視模型燃燒室，如圖7所示[23]。

圖6 德國(guó)宇航局(DLR)燃燒室模型[22]Fig. 6 Model combustor of DLR[22]

圖7 BOSS光學(xué)可視模型燃燒室(DLR)[23]Fig. 7 Big optical single sector model combustor (DLR)[23]

3) Lean-stage燃燒室。日本宇航局(JAXA)建立了單頭部燃燒室高壓噴霧試驗(yàn)裝置，如圖8所示，最大工作狀態(tài)參數(shù)為常溫條件下壓力1 MPa[24-29]。其試驗(yàn)段內(nèi)徑為310.5 mm，高壓可視窗直徑分別約為150和200 mm，可視窗的石英玻璃厚度為40 mm。在可視窗的內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了輔助空氣氣簾系統(tǒng)用于清潔可視窗，速度場(chǎng)和粒徑測(cè)量采用PDPA方法，霧錐幾何特性和燃油分布測(cè)量采用PMie方法。此模型燃燒室可以開(kāi)展高壓試驗(yàn)，但沒(méi)有考慮火焰筒限制域?qū)α鲌?chǎng)特性的影響。隨后，在進(jìn)行常溫常壓點(diǎn)火和熄火特性試驗(yàn)過(guò)程中，火焰筒采用直徑為125 mm的石英玻璃筒，用于試驗(yàn)過(guò)程中的火焰探測(cè)。

4) 南京航空航天大學(xué)TAPS/MIDL燃燒室模型。南京航空航天大學(xué)在研制一種帶多點(diǎn)燃油直接噴射雙環(huán)預(yù)混旋流頭部的貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒室時(shí)，忽略燃燒室機(jī)匣、火焰筒形狀及其冷卻，將模型燃燒室設(shè)計(jì)成一個(gè)單層的圓筒形燃燒室[30-32]。為滿足氣動(dòng)霧化場(chǎng)光學(xué)測(cè)量過(guò)程中光路布置的需求，如測(cè)量燃燒室不同橫向和縱向截面的速度分布，燃燒室筒體采用全透明的石英玻璃筒體，并在測(cè)量段末端設(shè)置石英玻璃觀察窗。在中心截面的速度場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中，激光通過(guò)測(cè)量段末端的可視窗進(jìn)入燃燒室，利用CCD相機(jī)通過(guò)圓筒形可視窗采集粒子圖像；而在橫截面的速度場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中，激光通過(guò)圓筒形可視窗進(jìn)入燃燒室，在測(cè)量段末端的可視窗進(jìn)行粒子圖像采集。在進(jìn)行燃燒室熱態(tài)流場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，為防止燃燒火焰發(fā)光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，利用波長(zhǎng)為532 nm、帶寬為5 nm的濾光片對(duì)火焰光干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽。

5) 北京航空航天大學(xué)TeLESS模型燃燒室。北京航空航天大學(xué)在TeLESS中心分級(jí)低排放燃燒室的研制過(guò)程中開(kāi)發(fā)了光學(xué)可視模型燃燒室試驗(yàn)件[33]，如圖10所示。TeLESS模型燃燒室采用四面開(kāi)窗的方形結(jié)構(gòu)，上下側(cè)的火焰筒保留了原始火焰筒的初始結(jié)構(gòu)特征和氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，并且預(yù)留了相對(duì)較大的側(cè)壁可視窗，用以采集盡可能大的區(qū)域的氣動(dòng)霧化場(chǎng)和燃燒場(chǎng)信息。此模型燃燒室考慮了限制域、火焰筒幾何形狀及氣膜冷卻等因素，在保持燃燒室內(nèi)氣動(dòng)霧化和燃燒場(chǎng)真實(shí)性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖8 日本JAXA高壓試驗(yàn)裝置[24]Fig. 8 High pressure combustor facility of Japan Aerospace Exploration Agency[24]

圖9 南航LPP燃燒室試驗(yàn)方案[30-32]Fig. 9 Lean premixed prevaporized combustor facility of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics[30-32]

圖10 TeLESS光學(xué)可視模型燃燒室[33]Fig. 10 Optically accessible model combustor of TeLESS[33]

6) 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所分層部分預(yù)混模型燃燒室。針對(duì)組合式燃油霧化噴嘴對(duì)高溫高壓氣動(dòng)霧化特性的測(cè)量需求，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研制了燃油噴嘴高壓高溫霧化特性平面激光測(cè)量系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了高溫高壓光學(xué)可視模型燃燒室試驗(yàn)件[34]，如圖11所示。采用內(nèi)層承溫外層承壓的設(shè)計(jì)理念，火焰筒內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)氣簾用于吹掃火焰筒可視窗，減小示蹤粒子及液滴對(duì)可視窗的污染；模型試驗(yàn)件中采用方形火焰筒，火焰筒橫截面積保持與燃燒室單頭部橫截面積相同，同時(shí)保持了火焰筒收縮段長(zhǎng)度及收縮比例。應(yīng)用于采用中心分級(jí)燃燒技術(shù)的分層部分預(yù)混燃燒室時(shí)，由于分層部分預(yù)混燃燒室取消了主燃孔和補(bǔ)燃孔，約50%～70%的空氣由燃燒室頭部的旋流器進(jìn)入，燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要由旋流器氣動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，火焰筒壁面的氣膜冷卻孔和摻混孔對(duì)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響較小，并考慮到火焰筒的加工難度和光學(xué)可視需求，光學(xué)火焰筒省略了氣膜冷卻孔和摻混孔。目前已經(jīng)利用此模型燃燒室試驗(yàn)件對(duì)分層部分預(yù)混燃燒室進(jìn)行了大量的氣動(dòng)霧化場(chǎng)試驗(yàn)，也為從事發(fā)動(dòng)機(jī)研究相關(guān)的高等院校、科研院所和工業(yè)部門(mén)的新型高溫升和低排放燃燒室研制提供了氣動(dòng)霧化場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)服務(wù)和數(shù)據(jù)支撐。

圖11 高溫高壓光學(xué)可視模型燃燒室試驗(yàn)件[34]Fig. 11 High temperature and high pressure model combustor with optical access[34]

7) 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心三級(jí)軸向旋流模型燃燒室。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心和西北工業(yè)大學(xué)合作，針對(duì)采用三級(jí)軸向旋流器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)了高溫高壓光學(xué)可視模型燃燒室試驗(yàn)件[35]。供氣系統(tǒng)提供常溫或加熱的壓縮空氣來(lái)流，經(jīng)燃燒室后水平向側(cè)后方45°轉(zhuǎn)向流入排氣管路，管路轉(zhuǎn)向是為了在正對(duì)燃燒室出口的方向設(shè)置石英玻璃窗，以進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，如圖12所示。該試驗(yàn)件可以承受真實(shí)燃燒室來(lái)流條件，目前已經(jīng)開(kāi)展了全狀態(tài)進(jìn)氣壓力2.78 MPa和進(jìn)氣溫度813 K條件下的PIV流場(chǎng)測(cè)量。

圖12 三級(jí)軸向旋流模型燃燒室[35]Fig. 12 Three-staged axial swirler model combustor[35]

以上典型的光學(xué)模型燃燒室為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制過(guò)程中燃燒室頭部方案設(shè)計(jì)、分區(qū)分級(jí)氣動(dòng)霧化場(chǎng)和燃燒組織機(jī)理認(rèn)識(shí)、霧化性能和部分燃燒性能評(píng)估提供了重要支撐。目前已服役的GE航空公司的TAPS系列低排放燃燒室和RR航空公司的Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)上的低排放燃燒室等都離不開(kāi)研制前期在光學(xué)模型燃燒室上的大量基礎(chǔ)研究試驗(yàn)。我國(guó)在研制民用發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室和高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)高溫升燃燒室的過(guò)程中，已在光學(xué)模型燃燒室上開(kāi)展了部分基礎(chǔ)試驗(yàn)，從支撐在研發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和探索未來(lái)新型燃燒室的角度考慮，還需要進(jìn)行更加全面的氣動(dòng)霧化和燃燒組織機(jī)理試驗(yàn)、數(shù)據(jù)積累和針對(duì)具體工程問(wèn)題的應(yīng)用試驗(yàn)等。

1.3 流場(chǎng)診斷技術(shù)在光學(xué)模型燃燒室上應(yīng)用的難點(diǎn)分析

根據(jù)前面對(duì)光學(xué)模型燃燒室發(fā)展趨勢(shì)的分析，從光學(xué)模型燃燒室設(shè)計(jì)的角度考慮，流場(chǎng)診斷技術(shù)在光學(xué)模型燃燒室上應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是可視窗空間布局、可視窗的清潔和可視窗的燒蝕等問(wèn)題。可視窗空間布局局限性的分析已在典型的光學(xué)模型燃燒室中介紹。燃燒室內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中，需要向燃燒室入口空氣中添加示蹤粒子，包括液滴和固體示蹤粒子，示蹤粒子材質(zhì)和顆粒粒徑等選擇可參考文獻(xiàn)[36]，而在高溫冷態(tài)和燃燒條件下，由于液滴示蹤粒子會(huì)快速蒸發(fā)，故只能采用耐高溫的固體示蹤粒子。無(wú)論采用液滴或固體示蹤粒子，進(jìn)入燃燒室后都可能部分附著于可視窗表面，對(duì)光學(xué)模型燃燒室的可視窗產(chǎn)生污染，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的旋流環(huán)境進(jìn)一步加劇了示蹤粒子在可視窗表面的附著幾率。目前普遍通過(guò)在可視窗內(nèi)側(cè)設(shè)置氣簾來(lái)降低示蹤粒子對(duì)可視窗的污染。進(jìn)一步，燃燒條件下的流場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中，在相對(duì)較小的發(fā)動(dòng)機(jī)工況時(shí)，可視窗壁面易產(chǎn)生積炭；同時(shí)，對(duì)于采用液體燃料的燃燒室，存在部分液滴撞擊到可視窗表面的問(wèn)題，一方面影響可視窗光學(xué)通透性，另一方面也會(huì)加劇可視窗表面的積炭問(wèn)題。此時(shí)氣簾設(shè)計(jì)需考慮對(duì)可視窗的加熱作用，加速可視窗表面附著液滴的蒸發(fā)，減小液滴及隨后的積炭對(duì)可視窗的污染。而在發(fā)動(dòng)機(jī)大工況條件下，火焰局部溫度達(dá)到2000 ℃以上，可視窗表面易被高溫燃?xì)鉄g，可視窗表面的積炭和燒蝕都影響流場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中的光學(xué)信號(hào)輸入/采集，給流場(chǎng)測(cè)量帶來(lái)誤差，可視窗壁面污染嚴(yán)重時(shí)甚至難以開(kāi)展流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。此時(shí)吹掃氣簾設(shè)計(jì)需考慮對(duì)可視窗的冷卻作用。綜上所述,故在可視窗內(nèi)外兩層分別設(shè)置吹掃氣簾。

2 限制域?qū)α鲌?chǎng)特性的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)組織是受限空間內(nèi)的旋流流動(dòng)過(guò)程，因此，限制域是影響旋流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的重要因素，是在進(jìn)行模型燃燒室試驗(yàn)件設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要因素之一[37]。為深入認(rèn)識(shí)旋流杯模型燃燒室內(nèi)流場(chǎng)組織過(guò)程和驗(yàn)證燃燒模型，辛辛那提大學(xué)的Fu和Jeng等[9]系統(tǒng)開(kāi)展了限制域?qū)π鞅Ｐ腿紵覂?nèi)的流場(chǎng)特性影響研究。在旋流器壓降為4%的常溫常壓條件下，采用LDV測(cè)量燃燒室內(nèi)的速度場(chǎng)，方形燃燒室寬度分別為76.2 mm(3.0 inch)、101.6 mm (4.0 inch)、114.4 mm (4.5 inch)、127.0 mm (5.0 inch)、152.4 mm (6.0 inch)和開(kāi)放空間。如圖13所示，研究結(jié)果表明，在受限空間工況下，流場(chǎng)中都存在角渦回流區(qū)(Corner Recirculation Zone，CORZ)，角渦回流區(qū)的尺寸和旋流在火焰筒上的附著點(diǎn)受火焰筒寬度與旋流器直徑的比值影響。在限制域尺寸較大時(shí)，旋流在火焰筒上的附著點(diǎn)靠近下游，這也導(dǎo)致燃燒室內(nèi)存在2個(gè)中心回流區(qū)(Center Toroidal Recirculation Zone，CTRZ)。而在限制域尺寸較小時(shí)(3.0和4.0 inch)，旋流產(chǎn)生的中心低壓區(qū)形成一個(gè)中心回流區(qū)；限制域由4.0 inch縮小到3.0 inch時(shí)，CTRZ尺寸減小。流場(chǎng)模式由2個(gè)CTRZ轉(zhuǎn)換成1個(gè)CTRZ時(shí)，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)模式轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)為限制域尺寸4.3 inch，并且在流場(chǎng)模式轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)工況下，流場(chǎng)隨機(jī)呈現(xiàn)2種不同的速度分布，如圖14所示。目前，尚未見(jiàn)限制域?qū)χ行姆旨?jí)燃燒室流場(chǎng)特性研究的論文發(fā)表。

圖13 限制域?qū)α鲌?chǎng)的影響[9]Fig. 13 Confinement effects on flow field[9]

圖14 流場(chǎng)模式轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)時(shí)的兩種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[9]Fig. 14 Flow fields with two metastable modes[9]

3 燃燒室頭部之間流場(chǎng)耦合作用

燃燒室由單管燃燒室發(fā)展到環(huán)管燃燒室，進(jìn)一步發(fā)展到目前在燃?xì)廨啓C(jī)上普遍采用的環(huán)形燃燒室，燃燒室頭部之間的耦合作用不斷增強(qiáng)[4]。最近，高推重比軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫升燃燒室和大涵道比民用發(fā)動(dòng)機(jī)的低排放燃燒室頭部進(jìn)氣量比例由富油頭部設(shè)計(jì)理念的傳統(tǒng)燃燒室的15%～25%增加到60%～80%，旋流器直徑大幅增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了燃燒室頭部之間的耦合作用，因此，認(rèn)識(shí)燃燒室頭部之間耦合作用對(duì)燃燒室模型試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)研究均至關(guān)重要。

辛辛那提大學(xué)的Jeng等對(duì)旋流杯模型燃燒室直線陣列布置的頭部之間旋流相互作用對(duì)流場(chǎng)的影響開(kāi)展了研究[10,38-39]。在旋流器壓降為4%的常溫常壓條件下，采用LDV測(cè)量燃燒室內(nèi)的速度場(chǎng)。研究結(jié)果表明，在三頭部和五頭部試驗(yàn)件中各個(gè)頭部的CTRZ尺寸和強(qiáng)度并不相同(見(jiàn)圖15)。相對(duì)于兩側(cè)的頭部，中心頭部的CTRZ強(qiáng)度相對(duì)較小，而CTRZ尺寸相對(duì)較大；中心頭部的流場(chǎng)組織過(guò)程類(lèi)似于開(kāi)放空間中的旋流器。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是頭部之間旋流空氣的相互作用，中心頭部的旋流強(qiáng)度減弱，其旋流方向主要受中心第一級(jí)旋流器決定，而兩側(cè)頭部中的旋流更類(lèi)似于單頭部受限空間中的流場(chǎng)組織過(guò)程。

圖15 旋流杯模型燃燒室頭部之間耦合相互作用對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響(軸向速度)[38]Fig. 15 The effect of sector-to-sector interactions on flow field of swirl cup combustor (axial velocity)[38]

為分析燃燒室頭部之間的氣動(dòng)作用，Jeng研究了頭部間距(S)和側(cè)邊旋流器中心到火焰筒壁面的距離(Dw)對(duì)直線型五頭部旋流杯模型燃燒室試驗(yàn)件(見(jiàn)圖16)冷態(tài)流場(chǎng)的影響[39]，相對(duì)于S=2D(D為旋流器直徑)的流場(chǎng)(從中心頭部向外呈現(xiàn)“大-小-大”周期性的非均勻CTRZ分布)，當(dāng)頭部間距減小到1.75D時(shí)，回流區(qū)空間布局不變，而當(dāng)頭部間距增加到2.50D，回流區(qū)空間布局發(fā)生明顯變化，中心頭部向外呈現(xiàn)出 “小-大-小”周期性的非均勻CTRZ分布，繼續(xù)增加頭部間距到2.75D時(shí)，回流區(qū)空間布局與2.50D時(shí)相同，如圖17和18所示。為進(jìn)一步深入分析五頭部旋流杯模型燃燒室試驗(yàn)件中周期性非均勻回流區(qū)形成的原因，Jeng結(jié)合限制域和旋流器深入火焰筒深度2個(gè)參數(shù)詮釋了2種旋流流場(chǎng)組織模式——貼壁旋流模式和自由射流旋流模式的形成機(jī)理，如圖19所示。

圖16 旋流杯五頭部模型燃燒室試驗(yàn)件[39]Fig. 16 Linear-arranged 5-swirler array of swirl cup combustor[39]

圖17 旋流杯模型燃燒室頭部間距對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響[39]Fig. 17 Effect of inter-swirler spacing on flow field of swirl cup combustor[39]

圖18 中心回流區(qū)空間布局示意圖[39]Fig. 18 Periodic flow patterns of center recirculation zone[39]

圖19 旋流杯模型燃燒室內(nèi)流動(dòng)模式分析[39]Fig. 19 Flow pattern sketches in swirl cup combustor[39]

北京航空航天大學(xué)的林宇震等[40]通過(guò)對(duì)比單頭部受限空間和三頭部旋流杯模型燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，分析了邊界條件對(duì)燃燒室內(nèi)渦分布和耗散速率的影響，結(jié)果表明，在三頭部燃燒室中，渦結(jié)構(gòu)在旋流器下游較長(zhǎng)距離內(nèi)都更能保持連貫性。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的徐綱和北京航空航天大學(xué)的林宇震合作研究了分區(qū)分級(jí)新型燃燒室頭部之間的流場(chǎng)耦合作用(見(jiàn)圖20)[41]。借助三頭部光學(xué)模型試驗(yàn)件開(kāi)展了氣動(dòng)霧化特性試驗(yàn)，中心頭部的回流區(qū)尺寸相對(duì)于側(cè)邊頭部較小，不同于旋流杯模型燃燒室三頭部試驗(yàn)件的流場(chǎng)分布結(jié)果，這說(shuō)明燃燒室頭部之間的相互作用不僅受到燃燒室頭部之間間距的影響，也取決于燃燒室內(nèi)的旋流器及其流場(chǎng)特性。

圖20 某分級(jí)分區(qū)低排放燃燒室三頭部試驗(yàn)件內(nèi)回流區(qū)(Plane 1：中心頭部，Plane 5:側(cè)邊頭部)[41]Fig. 20 Recirculation zone in the three-sector rig of a internal staged low emission combustor (Plane 1: center dome, Plane 5: side dome)[41]

4 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場(chǎng)研究進(jìn)展

除發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的全環(huán)、火焰筒及其多孔等結(jié)構(gòu)特征外，燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)組織過(guò)程和流場(chǎng)特征也是模型燃燒室試驗(yàn)件設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要因素。目前在役和在研的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室主要包括2種類(lèi)型：基于頭部富油設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)旋流杯燃燒室和采用分區(qū)分級(jí)擴(kuò)散/預(yù)混耦合燃燒技術(shù)的中心分級(jí)燃燒室[1]，因此，本文主要針對(duì)這2種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場(chǎng)特性研究進(jìn)展進(jìn)行分析。

4.1 傳統(tǒng)旋流杯燃燒室

旋流杯燃燒室的頭部油/氣混合裝置由壓力霧化噴嘴和周?chē)鷥蓪有蛳喾吹男骺諝饨M成，由于其良好的霧化和燃燒性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，如CF6-80、F404、CFM56、GE90、F101、F110、F414及T700等[42]。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋流杯燃燒室的流場(chǎng)組織開(kāi)展了大量研究，國(guó)外主要代表有GE公司的Mongia等[8]、辛辛那提大學(xué)Jeng等[9，42]、加州大學(xué)歐文分校的McDonell等[43]和德國(guó)宇航中心(DLR)的Hassa等[13]，國(guó)內(nèi)的主要代表有北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)3個(gè)航空航天院校、中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司下屬的動(dòng)力所和中國(guó)科學(xué)院等。傳統(tǒng)旋流杯燃燒室的典型流場(chǎng)特征如圖21所示。在燃燒室中心形成中心回流區(qū)(CTRZ)，在燃燒室火焰筒與頭部安裝邊交接處形成角渦回流區(qū)(CORZ)。影響旋流杯燃燒室流場(chǎng)的因素包括旋流器的氣量分配、旋流強(qiáng)度、旋流器軸向/徑向位置和出口套筒結(jié)構(gòu)等氣動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此方面已有大量成果發(fā)表，本文不再贅述。

圖21 旋流杯燃燒室典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 21 The typical flow field structure of swirl cup combustor

模型燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要考慮的另一個(gè)因素是燃燒化學(xué)反應(yīng)釋熱對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響(見(jiàn)圖22)[11,44]。目前得到的一致結(jié)論是：燃燒化學(xué)反應(yīng)釋熱引起主燃區(qū)空氣膨脹，導(dǎo)致回流區(qū)尺寸減小。因此，根據(jù)需要試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，確定是在冷態(tài)條件下還是在熱態(tài)燃燒化學(xué)反應(yīng)條件下開(kāi)展流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)。

圖22 旋流杯燃燒室冷/熱態(tài)流場(chǎng)對(duì)比[11]Fig. 22 Comparison between non-reacting and reacting flow fields in swirl cup combustor[11]

進(jìn)一步的，在模擬燃燒室真實(shí)結(jié)構(gòu)方面，導(dǎo)流板、主燃孔和摻混孔等也是模型燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的因素，Mohammad等和Hassa等[12-14]在帶導(dǎo)流板、主燃孔和摻混孔的真實(shí)燃燒室火焰筒內(nèi)開(kāi)展了旋流杯燃燒室流場(chǎng)特性研究，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖23)明顯不同于簡(jiǎn)化火焰筒的模型燃燒室流場(chǎng)，角渦回流區(qū)消失，中心回流區(qū)被主燃孔射流截?cái)?，中心回流區(qū)尺寸明顯減小，在主燃孔和摻混孔下游形成尾流低速區(qū)。

圖23 旋流杯燃燒室真實(shí)火焰筒結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特征[12]Fig. 23 The flow field in swirl cup combustor with real liner[12]

4.2 中心分級(jí)燃燒室

中心分級(jí)燃燒室是目前先進(jìn)燃燒室的代表和未來(lái)的發(fā)展方向，目前的高溫升燃燒室和低排放燃燒室普遍采用中心分級(jí)燃燒室技術(shù)，借助燃油分級(jí)和多級(jí)旋流器實(shí)現(xiàn)分區(qū)分級(jí)擴(kuò)散/預(yù)混耦合燃燒，分為主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)燃燒性能的需求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)中心分級(jí)燃燒室流場(chǎng)開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究，促進(jìn)了對(duì)中心分級(jí)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)組織過(guò)程和流場(chǎng)特性的認(rèn)識(shí)。圖24為中心分級(jí)主燃燒室的典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖[45]，燃燒室內(nèi)存在主回流區(qū)(PRZ)、角回流區(qū)(CRZ)、臺(tái)階回流區(qū)(LRZ)和剪切層(Shear layer)。

圖24 中心分級(jí)燃燒室典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[45]Fig. 24 The typical flow field of internal staged combustor[45]

GE公司的TAPS燃燒室是最早在發(fā)動(dòng)機(jī)上成功應(yīng)用的中心分級(jí)燃燒室方案，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代(TAPS I，TAPS II和TAPS III)[46]。燃燒室頭部的燃燒組織采用預(yù)燃級(jí)與主燃級(jí)同心共軸設(shè)計(jì)，預(yù)燃級(jí)為兩級(jí)旋流器，主燃級(jí)為一級(jí)徑向旋流器，預(yù)燃級(jí)采用富油擴(kuò)散燃燒，主燃級(jí)采用貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒。

圖25為Sulabh等[19-20]利用PIV得到的TAPS燃燒室在某工況下的冷態(tài)、熱態(tài)流場(chǎng)。可以看出,在冷態(tài)工況下，燃燒室內(nèi)形成了尺寸相對(duì)較大的主回流區(qū)(PRZ)，主回流區(qū)幾乎充滿了整個(gè)燃燒室。而在預(yù)燃級(jí)單獨(dú)工作和主/預(yù)燃級(jí)同時(shí)工作的2種熱態(tài)工況下，燃燒室中心線上的軸向速度由負(fù)變?yōu)檎?，主回流區(qū)尺寸明顯減小，并且主回流區(qū)被分為2個(gè)獨(dú)立的環(huán)形區(qū)域。冷/熱態(tài)流場(chǎng)對(duì)比結(jié)果表明，熱態(tài)條件下的熱釋放改變了回流區(qū)形狀和速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)。圖26為T(mén)APS燃燒室冷、熱態(tài)工況下的湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力分布。冷態(tài)工況下，相對(duì)于主回流區(qū)，主/預(yù)旋流空氣出口位置湍流強(qiáng)度明顯較大，在回流區(qū)邊界處存在較大的剪切應(yīng)力；熱態(tài)工況下，預(yù)燃級(jí)火焰的熱釋放使燃燒室中心的湍流強(qiáng)度大幅增加，預(yù)燃級(jí)旋流空氣與主回流區(qū)之間、主燃級(jí)旋流空氣與預(yù)燃級(jí)旋流空氣之間的區(qū)域都形成了剪切層。

圖25 TAPS燃燒室冷態(tài)、熱態(tài)流場(chǎng)[19]Fig. 25 Non-reacting and reacting flow fields in TAPS combustor[19]

圖26 TAPS燃燒室冷/熱態(tài)工況下的湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力[19]Fig. 26 Turbulence intensity and shear strain rate in TAPS combustor under non-reacting and reacting conditions[19]

RR公司在Engine 3E項(xiàng)目中研制了多種類(lèi)型的中心分級(jí)燃油噴嘴用于Lean-burn燃燒室[47]，預(yù)燃級(jí)方案采用預(yù)膜空氣霧化噴嘴或離心噴嘴同心旋流空氣霧化技術(shù)；主燃級(jí)燃油霧化方案都采用預(yù)膜式空氣霧化技術(shù)。Meier等[48]針對(duì)Lean-burn燃燒室研究了預(yù)燃級(jí)旋流強(qiáng)度對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，其中弱旋流的噴嘴下游未形成回流區(qū)，而強(qiáng)旋流噴嘴下游形成了中心回流區(qū)，如圖27所示。地面起動(dòng)點(diǎn)/熄火試驗(yàn)表明，強(qiáng)旋流噴嘴的燃燒室有較好的點(diǎn)火能力，但顯示出較差的貧油燃燒穩(wěn)定性，而弱旋流噴嘴的點(diǎn)/熄火燃燒穩(wěn)定性趨勢(shì)與此相反。

圖27 RR公司Lean-burn燃燒室內(nèi)流場(chǎng)[48]Fig. 27 Flow field in Lean-burn combustor of Rolls-Royce company[48]

JAXA和川崎重工(KHI)聯(lián)合研制了Lean-Staged低排放燃燒室[28-29]。其采用四級(jí)旋流器，主燃級(jí)采用噴射成膜霧化方式，預(yù)燃級(jí)采用通道內(nèi)預(yù)膜或旋流杯預(yù)膜空氣霧化方式，典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖28(a)所示。Kobayashi等在優(yōu)化Lean-Staged低排放燃燒室點(diǎn)火性能的過(guò)程中研究了預(yù)燃級(jí)內(nèi)旋流器角度對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明預(yù)燃級(jí)內(nèi)級(jí)旋流器角度由0°增加到45°時(shí)，主回流區(qū)尺寸略有增加，預(yù)燃級(jí)內(nèi)級(jí)旋流器通過(guò)改變?nèi)加涂臻g分布特性而影響點(diǎn)火性能。進(jìn)一步的，為阻止主燃級(jí)旋流空氣對(duì)預(yù)燃級(jí)霧錐的耦合作用，在預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)旋流器周向布置了狹縫，狹縫對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響如圖28(b)所示，通過(guò)增加狹縫改善了小推力工況下的燃燒穩(wěn)定性。

圖28 Lean-Staged燃燒室流場(chǎng)[29]Fig. 28 Flow field of Lean-Staged combustor[29]

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所針對(duì)分層部分預(yù)混低排放燃燒室和高溫升燃燒室的流場(chǎng)特性及組織機(jī)理開(kāi)展了研究[49-51]。圖29對(duì)比了單頭部常壓下預(yù)燃級(jí)內(nèi)級(jí)旋流器是否有旋對(duì)燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響[49]?？梢钥闯觯A(yù)燃級(jí)有旋時(shí)可以形成幾乎占滿頭部的回流區(qū)，旋流器出口會(huì)形成小的臺(tái)階回流區(qū)，同時(shí)燃油幾乎全部分布在中心回流區(qū)里；而預(yù)燃級(jí)無(wú)旋的回流區(qū)則被高速軸向射流分成2個(gè)小回流區(qū)，燃油分布于中心高速射流區(qū)。進(jìn)一步研究了主燃級(jí)旋流角度(40°、45°和50°)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響[50]，獲得了如圖30所示的時(shí)均流場(chǎng)分布?？梢钥闯?，隨著葉片角度增加，主回流區(qū)位置向上移動(dòng)，尺寸增大，主燃級(jí)回流氣與預(yù)燃級(jí)進(jìn)氣的相互作用增強(qiáng)，但主燃級(jí)回流區(qū)與預(yù)燃級(jí)回流區(qū)在中心線附近有重合。

圖29 預(yù)燃級(jí)內(nèi)級(jí)旋流器有旋/無(wú)旋對(duì)流場(chǎng)及燃油分布的影響[49]Fig. 29 Effect of inner swirler angle on flow field and spray pattern[49]

圖30 主燃級(jí)旋流角度對(duì)流場(chǎng)的影響[50]Fig. 30 Effect of main swirler angle on flow field[50]

5 結(jié) 論

光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件是認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)組織機(jī)理和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研制過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。目前，針對(duì)復(fù)雜旋流組織機(jī)理的光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件已經(jīng)形成相對(duì)一致的認(rèn)識(shí)，而針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程研制的光學(xué)模型燃燒室試驗(yàn)件設(shè)計(jì)尚未形成統(tǒng)一的意見(jiàn)，但完全保持燃燒室結(jié)構(gòu)和進(jìn)出口試驗(yàn)條件，對(duì)于測(cè)量方法的環(huán)境適用性和光學(xué)診斷光路布置而言，在現(xiàn)實(shí)燃燒室流場(chǎng)測(cè)量中是不可行的。當(dāng)前，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)試，在測(cè)量方法、進(jìn)氣條件、燃燒室結(jié)構(gòu)和光路布置等方面都需要通過(guò)權(quán)衡、盡量得到真實(shí)的燃燒室流場(chǎng)信息，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)燃燒室內(nèi)復(fù)雜旋流組織過(guò)程。

光學(xué)模型燃燒室的應(yīng)用可以分為3個(gè)主要方面：1) 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程應(yīng)用。深入認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的氣動(dòng)、霧化和燃燒等過(guò)程，支撐新型燃燒室研發(fā)及燃燒相關(guān)問(wèn)題的解決。2) 氣動(dòng)熱力學(xué)模型和數(shù)值仿真工具開(kāi)發(fā)。用于驗(yàn)證湍流模型、霧化模型和燃燒模型等，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)氣動(dòng)霧化和燃燒性能預(yù)測(cè)模型，形成設(shè)計(jì)工具，支撐發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研發(fā)。3) 解決燃燒科學(xué)問(wèn)題。詮釋復(fù)雜旋流燃燒過(guò)程中的流場(chǎng)組織、霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒組織機(jī)理。

光學(xué)模型燃燒室以上3個(gè)方面的應(yīng)用需求對(duì)模型燃燒室的進(jìn)氣條件和燃燒室結(jié)構(gòu)真實(shí)性的要求是逐次降低的，即對(duì)能否真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)組織過(guò)程的要求是逐次降低的，但是低工況下或簡(jiǎn)化模型燃燒室上得到的氣動(dòng)熱力學(xué)模型和數(shù)值仿真工具應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮其適用范圍或進(jìn)行外推驗(yàn)證。受試驗(yàn)條件、光路布置、測(cè)量方法和試驗(yàn)成本等限制時(shí)，需要從以下幾個(gè)方面考慮：1) 所研究的燃燒室本身的特點(diǎn)。例如：對(duì)于采用分區(qū)分級(jí)耦合燃燒技術(shù)的先進(jìn)燃燒室，其燃燒極大程度取決于頭部進(jìn)氣的空氣動(dòng)力學(xué)特性，故在模型燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中，燃燒室頭部結(jié)構(gòu)及其與頭部流場(chǎng)組織密切相關(guān)的因素應(yīng)盡量與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)相同，此時(shí)火焰筒壁面的冷卻小孔(如氣膜孔)和位于主燃區(qū)下游的摻混孔等在開(kāi)展流場(chǎng)組織機(jī)理研究時(shí)可忽略；對(duì)于傳統(tǒng)旋流杯燃燒室，通過(guò)主燃孔和補(bǔ)燃孔的高速射流都與主燃區(qū)的旋流流動(dòng)強(qiáng)耦合，從而影響流場(chǎng)特性，因此，在開(kāi)展旋流杯燃燒室頭部流場(chǎng)組織機(jī)理研究時(shí)，火焰筒壁面的主燃孔和補(bǔ)燃孔需要保留。2) 模型燃燒室的研發(fā)目標(biāo)。如果模型燃燒室研發(fā)的目的是用于燃燒基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題或模型/數(shù)值仿真工具方法研究，在分析所研究的燃燒室特點(diǎn)基礎(chǔ)上，首要考慮的因素是模型燃燒室邊界條件清晰，其次是待研究的流場(chǎng)、霧化特性和燃燒特性等物理量對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法和光路布置要求，最后考慮進(jìn)氣條件和模型燃燒室結(jié)構(gòu)；如果模型燃燒室研發(fā)的目的是燃燒室工程研制，在分析所研究的燃燒室特點(diǎn)基礎(chǔ)上，首要考慮的因素是所處的研制階段或技術(shù)成熟度，例如在役發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室使用過(guò)程的燃燒問(wèn)題、在研發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室技術(shù)成熟度達(dá)到TRL3及TRL3以上性能的驗(yàn)證過(guò)程中的燃燒問(wèn)題和預(yù)研新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在TRL3以下時(shí)借助模型燃燒室認(rèn)識(shí)氣動(dòng)、霧化和燃燒過(guò)程并評(píng)估初步燃燒性能等；其次需考慮的是具體的燃燒問(wèn)題，例如點(diǎn)火、熄火、積炭、火焰筒燒蝕、出口溫度溫度分布質(zhì)量和污染物排放指數(shù)等。

國(guó)內(nèi)外在傳統(tǒng)旋流杯燃燒室和分區(qū)分級(jí)耦合燃燒燃燒室的流場(chǎng)組織機(jī)理和流場(chǎng)特性方面都已經(jīng)開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，得到了旋流杯燃燒室和分區(qū)分級(jí)耦合燃燒室的典型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，但由于對(duì)旋流、剪切層形成等過(guò)程中的渦核進(jìn)動(dòng)、渦形成和渦破碎等微觀機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，目前還難以通過(guò)燃燒室頭部結(jié)構(gòu)和旋流器氣動(dòng)參數(shù)等對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。