基于PIV的中心分級燃燒室冷態流場試驗

顧大鵬，沈 忱，楊 帥，楊 桐

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

在航空發動機燃燒室性能設計中，如何提高燃油的燃燒效率、使燃燒室內流場穩定、將燃燒區設計至合理的范圍內等都是需考慮的重要因素[1-2]。旋流器安裝在燃燒室頭部，其結構是影響燃燒室內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動機的工作狀態和性能指標[3-5]。粒子圖像測速儀（Particle Image Velocimetry，PIV）憑其精度高、對流場干擾小等特點在燃燒室內流場研究過程中得到廣泛應用。

國內外學者對燃燒室流程進行了一系列研究。張欣等[6]利用PIV 對單頭部燃燒室內湍流流場進行了測量，得到了不同旋流器幾何參數對流場的影響規律；Wang 等[7-9應用PIV 針對旋流杯的不同結構對流場的影響進行了一系列研究，掌握了不同結構對流場的影響規律；唐軍等[10]利用PIV 對斜切徑向旋流器的環形燃燒室矩形模型內流場分布進行了測量；顏應文等[11]利用PIV 對旋流器旋流角度以及燃燒室內油氣比不同對流場的影響規律進行了研究；Jeng 等[12-14]對旋流器出口不同邊界條件下流場特性及對噴霧分布的影響規律進行了研究，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。本文在上述研究旋流杯、單級旋流器的基礎上，對中心分級燃燒室頭部主、副模旋流器相互影響關系進行了試驗，探索主、副模旋流器的相互影響因素。冷態流場試驗是在旋流器及燃燒室結構設計完成后、點火試驗前進行的重要摸底性試驗，在試驗過程中多關注影響燃燒室點火成功的參數。在熱態流場中由于燃燒釋放大量熱，使燃燒室內流場瞬態變化更劇烈，攪拌作用更強，影響流場的回流區尺寸及位置。研究燃燒室內冷態流場的分布規律的主要目的是為了確定新型燃燒室內流場中影響點火性能最重要的回流區位置、回流區大小及最大空氣速度等參數。

本文以中心分級燃燒室內冷態流場分布特點作為研究對象，應用PIV 對帶不同組合旋流器的中心分級燃燒室內冷態流場進行測量。

1 研究對象及測試系統

1.1 研究對象

旋流器結構及測試區域如圖1 所示。該中心分級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部形成穩定的中心回流區，噴嘴的主要作用是保證燃油具有良好的霧化性能。高壓空氣經由主、副模旋流器后與通過噴嘴霧化的燃油在燃燒室內部形成油氣混合氣并穩定燃燒。主、副模旋流器均為徑向旋流器，旋向相同。

圖1 旋流器結構及測試區域

為研究主模旋流器對中心分級燃燒室內流場的影響，分別設計2 種旋流數的主、副模旋流器配合及副模旋流器單獨工作的技術方案。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

PIV 測試系統如圖2 所示。試驗采用美國TSI 公司生產的2 維PIV 系統測量燃燒室內部流場。測試系統包括雙脈沖激光器、導光臂、片光鏡、CCD 相機、同步器及計算機。單個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，通過導光臂并經片光鏡將柱形光束轉換成1 束平面扇形激光，經測試窗口照亮燃燒室內測試區域。高速CCD 相機通過同步器配合脈沖激光的激發時序對測試區域流場進行記錄。

圖2 PIV測試系統

在試驗過程中選用PivPart40-Dry 系列粒子發生器，將粒子發生器與試驗件進氣管道并聯，在粒子發生器兩端分別設置閥門控制粒子在需要拍攝時進入測試流場中進行全局性均布撒播。根據BBO 方程[15]及Mie 散射相關理論[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的示蹤粒子，甘油具有無污染、無毒性的特點。

2 試驗結果分析

2.1 空氣流量試驗

在試驗件出口為大氣壓力條件下進行空氣流量試驗，主模A+副模旋流器空氣流量試驗結果見表1。

表1 主模A+副模旋流器空氣流量試驗結果

從表中可見，在旋流器組合不變的條件下，隨著進氣壓降的提高，空氣流量隨之增加；在相同進氣壓降條件下，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系。對比編號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，有利于燃燒室穩定工作[17]。

2.2 流場試驗結果

2.2.1 中心截面流場測試結果

在試驗過程中選取試驗件通過燃油噴嘴的中心截面進行測量，定義沿氣流流動的方向為X正向，測量截面內與X軸垂直向上方向為Y正向。X=0、Y=60 mm位置為試驗件出口中心位置。編號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1中心截面流場速度矢量

從圖3中可見，在編號1試驗條件下，速度場中最大速度為22.8987 m/s，流場內速度場分布大致呈沿試驗件出口中心線對稱分布，在主模旋流器出口位置上存在大小基本相同對稱分布的逆時針旋轉回流區，主要由主模旋流器出口葉片幾何旋轉角對氣流的導向作用產生。在X軸大于20 mm、Y軸距中心軸距離大于20 mm 范圍內射流形態基本對稱。在引射作用下旋流器出口中心線上存在低壓區和回流氣流，從而在流場中形成穩定的中心回流區。后續試驗狀態也存在相似的旋轉回流區及中心旋流區。但因試驗狀態不同，旋流區面積及位置也有所不同。

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

圖4 編號2中心截面流場速度矢量

從圖5中可見，在編號3試驗條件下，速度場中最大速度值大于編號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。與方案1 比較，方案3 的最大速度出現位置提前，旋流回流區的面積減小，中心回流區結構不完整，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包括回流區尺寸、位置在內的流場特征參數均產生影響。

圖5 編號3中心截面流場速度矢量

從圖6 中可見，在編號4 試驗條件下，與編號3 相比，其速度最大值有所增大，旋轉回流區面積有所增加，射流流向及中心回流區無明顯差別。與編號2 相比，回流區面積增加，流場內最大速度位置發生變化，速度最大值有所增大，射流流速及速度場呈中心對稱分布更明顯，軸向速度變大，徑向速度減小，中心回流結構不完整。

圖6 編號4中心截面流場速度矢量

從圖7 中可見，在編號5 試驗條件下，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，加強氣流與油滴間的相互運動，提高噴嘴噴出燃油霧化效果，促進均勻混合氣形成。在沒有主模旋流器的條件下，內流場無回流區存在，最大速度值出現在旋流器出口附近。

圖7 編號5中心截面流場速度矢量

2.2.2 測試區域流場參數分析

在編號1 試驗時，測試區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件出口50 mm 內，軸向速度沿旋流器出口中心線呈水平對稱狀分布，且軸向速度的最大值約為20 m/s，速度為負值的范圍很小，說明在此范圍內回流現象不明顯。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，同時存在軸向對稱的回流區；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域。

圖8 編號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，徑向速度沿試驗件出口中心位置呈中心對稱，與徑向速度方向沿Y軸負向為負值的定義相關；在其他位置截面上，徑向速度較小（在個別位置上速度較大），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構。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，從而反映出平面內的空氣壓力的分布情況；圖8、9細致分析了流場結構，直觀展示了回流區的位置及范圍，同時精確反映了各位置上速度分布特點。

3 結論

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

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

（3）通過測試區域流場參數分析，掌握了流場的具體結構及回流區位置、面積等信息，其中軸向速度為負值及徑向速度不為零區域存在回流區。