顧大鵬，沈 忱，楊 帥，楊 桐

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能設(shè)計(jì)中，如何提高燃油的燃燒效率、使燃燒室內(nèi)流場穩(wěn)定、將燃燒區(qū)設(shè)計(jì)至合理的范圍內(nèi)等都是需考慮的重要因素[1-2]。旋流器安裝在燃燒室頭部，其結(jié)構(gòu)是影響燃燒室內(nèi)空氣和燃料摻混效果的直接因素，旋流器出口流場決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和性能指標(biāo)[3-5]。粒子圖像測速儀（Particle Image Velocimetry，PIV）憑其精度高、對(duì)流場干擾小等特點(diǎn)在燃燒室內(nèi)流場研究過程中得到廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃燒室流程進(jìn)行了一系列研究。張欣等[6]利用PIV 對(duì)單頭部燃燒室內(nèi)湍流流場進(jìn)行了測量，得到了不同旋流器幾何參數(shù)對(duì)流場的影響規(guī)律；Wang 等[7-9應(yīng)用PIV 針對(duì)旋流杯的不同結(jié)構(gòu)對(duì)流場的影響進(jìn)行了一系列研究，掌握了不同結(jié)構(gòu)對(duì)流場的影響規(guī)律；唐軍等[10]利用PIV 對(duì)斜切徑向旋流器的環(huán)形燃燒室矩形模型內(nèi)流場分布進(jìn)行了測量；顏應(yīng)文等[11]利用PIV 對(duì)旋流器旋流角度以及燃燒室內(nèi)油氣比不同對(duì)流場的影響規(guī)律進(jìn)行了研究；Jeng 等[12-14]對(duì)旋流器出口不同邊界條件下流場特性及對(duì)噴霧分布的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，探究了出口在受限及非受限條件下的流場分布及湍流度特點(diǎn)。本文在上述研究旋流杯、單級(jí)旋流器的基礎(chǔ)上，對(duì)中心分級(jí)燃燒室頭部主、副模旋流器相互影響關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)，探索主、副模旋流器的相互影響因素。冷態(tài)流場試驗(yàn)是在旋流器及燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后、點(diǎn)火試驗(yàn)前進(jìn)行的重要摸底性試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中多關(guān)注影響燃燒室點(diǎn)火成功的參數(shù)。在熱態(tài)流場中由于燃燒釋放大量熱，使燃燒室內(nèi)流場瞬態(tài)變化更劇烈，攪拌作用更強(qiáng)，影響流場的回流區(qū)尺寸及位置。研究燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場的分布規(guī)律的主要目的是為了確定新型燃燒室內(nèi)流場中影響點(diǎn)火性能最重要的回流區(qū)位置、回流區(qū)大小及最大空氣速度等參數(shù)。

本文以中心分級(jí)燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場分布特點(diǎn)作為研究對(duì)象，應(yīng)用PIV 對(duì)帶不同組合旋流器的中心分級(jí)燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場進(jìn)行測量。

1 研究對(duì)象及測試系統(tǒng)

1.1 研究對(duì)象

旋流器結(jié)構(gòu)及測試區(qū)域如圖1 所示。該中心分級(jí)燃燒室頭部包括主模旋流器、副模旋流器、直射式空氣霧化噴嘴等。旋流器的主要作用是在燃燒室內(nèi)部形成穩(wěn)定的中心回流區(qū)，噴嘴的主要作用是保證燃油具有良好的霧化性能。高壓空氣經(jīng)由主、副模旋流器后與通過噴嘴霧化的燃油在燃燒室內(nèi)部形成油氣混合氣并穩(wěn)定燃燒。主、副模旋流器均為徑向旋流器，旋向相同。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)及測試區(qū)域

為研究主模旋流器對(duì)中心分級(jí)燃燒室內(nèi)流場的影響，分別設(shè)計(jì)2 種旋流數(shù)的主、副模旋流器配合及副模旋流器單獨(dú)工作的技術(shù)方案。其中主模旋流角度相同，主模A、B旋流器流通面積比為0.75。

1.2 測試系統(tǒng)

PIV 測試系統(tǒng)如圖2 所示。試驗(yàn)采用美國TSI 公司生產(chǎn)的2 維PIV 系統(tǒng)測量燃燒室內(nèi)部流場。測試系統(tǒng)包括雙脈沖激光器、導(dǎo)光臂、片光鏡、CCD 相機(jī)、同步器及計(jì)算機(jī)。單個(gè)脈沖激光最大能量為120 mJ，最高頻率為20 Hz，空間分辨率為2048×2048 像素，速度測量精度為3%。測試過程中激光器振蕩腔激蕩形成柱形光束，通過導(dǎo)光臂并經(jīng)片光鏡將柱形光束轉(zhuǎn)換成1 束平面扇形激光，經(jīng)測試窗口照亮燃燒室內(nèi)測試區(qū)域。高速CCD 相機(jī)通過同步器配合脈沖激光的激發(fā)時(shí)序?qū)y試區(qū)域流場進(jìn)行記錄。

圖2 PIV測試系統(tǒng)

在試驗(yàn)過程中選用PivPart40-Dry 系列粒子發(fā)生器，將粒子發(fā)生器與試驗(yàn)件進(jìn)氣管道并聯(lián)，在粒子發(fā)生器兩端分別設(shè)置閥門控制粒子在需要拍攝時(shí)進(jìn)入測試流場中進(jìn)行全局性均布撒播。根據(jù)BBO 方程[15]及Mie 散射相關(guān)理論[16]，選取跟隨性最好的直徑為3 μm 的甘油粒子作為本次試驗(yàn)的示蹤粒子，甘油具有無污染、無毒性的特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 空氣流量試驗(yàn)

在試驗(yàn)件出口為大氣壓力條件下進(jìn)行空氣流量試驗(yàn)，主模A+副模旋流器空氣流量試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 主模A+副模旋流器空氣流量試驗(yàn)結(jié)果

從表中可見，在旋流器組合不變的條件下，隨著進(jìn)氣壓降的提高，空氣流量隨之增加；在相同進(jìn)氣壓降條件下，主模A 的空氣流量值小于主模B 的，這與主模B有效面積較大有直接關(guān)系。對(duì)比編號(hào)1與5及2 與6 可知，主模旋流器空氣流量為副模旋流器的2倍，通過主模旋流器的高壓空氣是燃燒室內(nèi)所需空氣的主要來源，副模旋流器提供了噴嘴燃油霧化所需空氣，用于改善燃燒室內(nèi)燃油霧化效果。主、副模旋流器的空氣相互作用，有利于燃燒室穩(wěn)定工作[17]。

2.2 流場試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 中心截面流場測試結(jié)果

在試驗(yàn)過程中選取試驗(yàn)件通過燃油噴嘴的中心截面進(jìn)行測量，定義沿氣流流動(dòng)的方向?yàn)閄正向，測量截面內(nèi)與X軸垂直向上方向?yàn)閅正向。X=0、Y=60 mm位置為試驗(yàn)件出口中心位置。編號(hào)1～5 中心截面流場速度矢量分別如圖3～7所示，圖中箭頭的顏色表示流場中軸向速度的大小。

圖3 編號(hào)1中心截面流場速度矢量

從圖3中可見，在編號(hào)1試驗(yàn)條件下，速度場中最大速度為22.8987 m/s，流場內(nèi)速度場分布大致呈沿試驗(yàn)件出口中心線對(duì)稱分布，在主模旋流器出口位置上存在大小基本相同對(duì)稱分布的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)回流區(qū)，主要由主模旋流器出口葉片幾何旋轉(zhuǎn)角對(duì)氣流的導(dǎo)向作用產(chǎn)生。在X軸大于20 mm、Y軸距中心軸距離大于20 mm 范圍內(nèi)射流形態(tài)基本對(duì)稱。在引射作用下旋流器出口中心線上存在低壓區(qū)和回流氣流，從而在流場中形成穩(wěn)定的中心回流區(qū)。后續(xù)試驗(yàn)狀態(tài)也存在相似的旋轉(zhuǎn)回流區(qū)及中心旋流區(qū)。但因試驗(yàn)狀態(tài)不同，旋流區(qū)面積及位置也有所不同。

從圖4中可見，在編號(hào)2試驗(yàn)條件下，由于供氣壓降提高，速度最大值增大且出現(xiàn)位置向X軸負(fù)方向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)回流區(qū)縮小，引射氣流速度增大，中心回流區(qū)位置基本保持不變，但速度值13.95 m/s為編號(hào)1相同位置速度值5.82 m/s 的2 倍多。這與供氣壓降提高，流場內(nèi)的空氣流速增大，流場內(nèi)相同位置上的壓力提高直接相關(guān)。

圖4 編號(hào)2中心截面流場速度矢量

從圖5中可見，在編號(hào)3試驗(yàn)條件下，速度場中最大速度值大于編號(hào)1 的，這與主模旋流器B 的流通面積大于主旋流器A 的直接相關(guān)。與方案1 比較，方案3 的最大速度出現(xiàn)位置提前，旋流回流區(qū)的面積減小，中心回流區(qū)結(jié)構(gòu)不完整，隨著流通面積的增加，流場中氣流徑向速度減小，軸向速度增大，說明流通面積的變化對(duì)包括回流區(qū)尺寸、位置在內(nèi)的流場特征參數(shù)均產(chǎn)生影響。

圖5 編號(hào)3中心截面流場速度矢量

從圖6 中可見，在編號(hào)4 試驗(yàn)條件下，與編號(hào)3 相比，其速度最大值有所增大，旋轉(zhuǎn)回流區(qū)面積有所增加，射流流向及中心回流區(qū)無明顯差別。與編號(hào)2 相比，回流區(qū)面積增加，流場內(nèi)最大速度位置發(fā)生變化，速度最大值有所增大，射流流速及速度場呈中心對(duì)稱分布更明顯，軸向速度變大，徑向速度減小，中心回流結(jié)構(gòu)不完整。

圖6 編號(hào)4中心截面流場速度矢量

從圖7 中可見，在編號(hào)5 試驗(yàn)條件下，速度場沿旋流器出口中心線呈水平狀分布，說明副模旋流器在燃燒室中起到的主要作用是提供高速氣流，加強(qiáng)氣流與油滴間的相互運(yùn)動(dòng)，提高噴嘴噴出燃油霧化效果，促進(jìn)均勻混合氣形成。在沒有主模旋流器的條件下，內(nèi)流場無回流區(qū)存在，最大速度值出現(xiàn)在旋流器出口附近。

圖7 編號(hào)5中心截面流場速度矢量

2.2.2 測試區(qū)域流場參數(shù)分析

在編號(hào)1 試驗(yàn)時(shí)，測試區(qū)域中心截面距出口距離分別為10、30、50、70、90 mm 截面上軸向速度U及徑向速度V分布如圖8、9所示。

從圖8 中可見，在中心截面上距離試驗(yàn)件出口50 mm 內(nèi)，軸向速度沿旋流器出口中心線呈水平對(duì)稱狀分布，且軸向速度的最大值約為20 m/s，速度為負(fù)值的范圍很小，說明在此范圍內(nèi)回流現(xiàn)象不明顯。在X=70 mm截面上，旋流器出口上半部分軸向速度最大值仍為20 m/s，但最大值范圍減小，同時(shí)存在軸向?qū)ΨQ的回流區(qū)；在X=90 mm 截面上，軸向速度最大值僅為3 m/s，且存在大范圍的回流區(qū)域。

圖8 編號(hào)1中心截面軸向速度U分布

從圖9 中可見，在X=50 mm 截面上，徑向速度沿試驗(yàn)件出口中心位置呈中心對(duì)稱，與徑向速度方向沿Y軸負(fù)向?yàn)樨?fù)值的定義相關(guān)；在其他位置截面上，徑向速度較?。ㄔ趥€(gè)別位置上速度較大），表明該位置上的徑向速度存在分量，而在其他位置上徑向速度幾乎為零。

圖9 編號(hào)1中心截面徑向速度V分布

圖3、8、9 可全面反映被測截面的流場結(jié)構(gòu)。其中圖3 直觀地反映出測量截面上不同位置的速度大小及方向，從而反映出平面內(nèi)的空氣壓力的分布情況；圖8、9細(xì)致分析了流場結(jié)構(gòu)，直觀展示了回流區(qū)的位置及范圍，同時(shí)精確反映了各位置上速度分布特點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)件不變的條件下，隨著供氣壓降的提高，空氣流量增大，流場中的旋轉(zhuǎn)回流區(qū)位置向氣流負(fù)方向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)回流區(qū)面積減小，中心回流區(qū)氣流變化不大；

（2）當(dāng)供氣壓降相同時(shí)，隨著主模旋流器流通面積的增加，空氣流量隨之增大，旋轉(zhuǎn)回流區(qū)位置及最大速度位置發(fā)生變化；

（3）通過測試區(qū)域流場參數(shù)分析，掌握了流場的具體結(jié)構(gòu)及回流區(qū)位置、面積等信息，其中軸向速度為負(fù)值及徑向速度不為零區(qū)域存在回流區(qū)。