受限空間內旋流回流區特性

李玉棟, 張 俊, 陳 爽, 涂曉波, 王林森

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川綿陽 621000)

引 言

旋流廣泛存在于燃燒器、 工業鍋爐、 燃氣輪機、 航空發動機等設備中[1]. 足夠高的旋流強度, 會使流場中產生逆壓梯度, 形成中心回流區, 能夠增加火焰穩定性, 提高燃料摻混程度和燃燒效率.

旋流從噴嘴進入燃燒室經歷突然擴張的過程, 通常用燃燒室直徑與噴嘴直徑的比值受限率表示旋流在燃燒室內的受限程度, 受限率越小, 表示流體受限的程度越強. 有研究表明[2]受限率是旋流器、 燃燒室結構設計參數中對旋流影響最顯著的因素.

對于中心回流區, Sheen等[3]最早根據Reynolds數和旋流數劃分了7種形態, 除了最后的合并形態, 其余6種在受限和非受限空間中差別很小. Archer等[4]采用粒子圖像測速法(particle image velocimetry， PIV)研究了受限率為2的情況, 表明受限空間增加了中心回流區的湍動能, 減小了回流區寬度和回流速度. Fu等[5-6]采用激光Doppler測速法(laser dopler velocimetry， LDV)研究了不同受限空間內的旋流流動, 發現旋流杯尺寸為4.3 in × 4.3 in(1 in=25.4 mm)時, 產生了一個過渡的旋流狀態, 與其他情況有顯著的差異. 此外, Khalil等[7]、 Sharma等[8]研究了受限率分別為1.7和5.4的旋流流場. 以上都是對二維流場的研究. Ceglia等[9]采用層析PIV測量了受限率等于3.2時的三維流場, 并通過本征正交分解(proper orthogonal decomposition， POD)和低階重構方法(low order reconstruction, LOR)重構了旋流場渦結構. 用渦核進動的三維結構, 直觀地展示了旋流擴張角及回流區增大的情況.

采用光學測量方法研究受限空間旋流流場特性時, 由于結構限制、 壁面激光反……