高空条件下分层部分预混火焰贫油燃烧稳定性研究

The high-altitude conditions of high-altitude long-endurance (HALE) unmanned aerial vehicles (UAV) always induce lean blowout(LBO) in combustors, hence, widening the operability range of combustion stability is one of the key techniques in the development of engine for HALE UAVs. This work focuses on the combustion stability of stratified partially premixed combustion in high-altitude environments. Basing on optical accessible combustion test rig, PIV, PLIF, LIF/Mie of the planar laser sheet imaging techniques, Malvern, and high-speed camera are used for visualizing the flow field, spray and flame, and, the CFD tools are also used auxiliarily.The impact of main swirling air on the pilot spray, flame and lean blow-out are firstly studied. Then, the impact of high-altitude environment and combustor loading parameter(CLP) on performances of fuel atomization, evaporation and mixing, and combustion stability etc are studied. Furthermore, the mechanism of flame liftoff, flashback and flame anchoring is analyzed by coupling the flow field, spray characteristics, and the flame. The main factors determining the combustion stability of stratified partial-premixed combustion in high-altitude condition are obtained, and the semi-impirical model of lean blowout containing the local flame characteristics is constructed, which can provide some theoretical support for design and optimization of combustors of engines for HALE UAVs.

高空长航时无人机的高空左边界工作环境使其动力装置的燃烧室易发生贫油熄火，因此，扩宽燃烧室在高空的稳定工作范围成为自主研发高空长航时无人机动力装置的关键技术之一。本项目拟以高空左边界条件下分层部分预混燃烧的慢车贫油燃烧稳定性为主题，以光学可视燃烧实验台为实验载体，以PIV、PLIF、LIF/Mie等平面激光成像测试技术、以及马尔文仪和高速摄像机等为测试手段，并辅之以数值计算，分析分层部分预混燃烧的主燃级旋流空气对预燃级雾化、火焰形态和贫油熄火性能的影响，以及高空条件和燃烧室载荷系数对燃油雾化、蒸发和掺混、贫油燃烧稳定性的影响。在此基础上，耦合流场、雾化特性和火焰动态特性探索分层部分预混的预燃级火焰稳定机理，掌握高空条件下分层部分预混预燃级稳定燃烧的关键因素，建立考虑熄火局部特征的贫油熄火性能半经验预测模型，为高空长航时无人机动力装置的燃烧室优化设计提供基础性的理论支撑。

高空长航时无人机在高空左边界高空低速巡航，其动力装置存在燃烧室易发生贫油熄火的问题，因此，扩宽燃烧室在高空的稳定工作范围成为自主研发高空长航时无人机动力装置的关键技术之一。本项目围绕分层部分预混燃烧的贫油燃烧室稳定性，采用结合数值仿真和实验相结合的方法，并借助PIV、PLIF和Malvern仪等先进非接触燃烧诊断技术，开展了分层部分预混燃烧室设计及优化、光学通透模型燃烧室试验件设计、分层流场组织机理、分层雾化场组织、分层部分预混燃烧场组织机理、火焰稳定机理分析和点熄火性能优化设计及验证研究。通过项目组近三年的努力，深刻认识了分层部分预混燃烧室的气动雾化场和燃烧场组织过程，建立了分层部分预混燃烧气动雾化场数据库，得到了关键的气动和结构参数对流场结构、雾化特性和燃烧稳定性的影响规律，诠释了分层部分预混燃烧室内多级旋流空气之间、旋流空气和燃油雾锥以及旋流空气与火焰的相互作用机制，并对研究数据进行总结分析，认清了分层部分预混燃烧点熄火过程中的火焰稳定机制和火焰传播路径，建立了流场结构、雾化特性和燃烧性能的相关性，并提出了分层部分预混燃烧室稳定边界优化方案，完成试验验证。.本项目中形成的分层流场、分层雾化场和分区分级燃烧场组织技术、燃烧室稳定边界优化技术等研究成果可用于先进发动机燃烧室的研制，目前已经应用于高空长航时无人机高空变负荷燃烧室，有效降低了点熄火边界油气比约55%。本项目中的气动雾化和点熄火性能数据库可以用于组合式空气雾化喷嘴和新型燃烧室研制过程中的数值仿真雾化和燃烧模型的试验验证。同时，本项目的燃烧技术成果也可用于下一代民用低排放燃烧室和军用高温升燃烧室的研制。