基于分级燃烧的多重旋流燃烧组织机理研究

The project focus on the concentric multiple swirlers combustion organization technology with high turbulent and coupling flow field, achieving good combustion characteristics and combustion stability. Theory analysis, experimental study and numerical simulation methods are used. The flow field characteristics of the combustion organization are measured by PIV,obtained the structure of flow field in the combustor to help us understand the effect of the swirler structures and pilot-main flow assign on combustor flow field. Simultaneously,study the fuel atomization of this combustion organization by experimental and numerical method.The effect of the fuel atomization on the combustion stability will be confirmed.Furthermore,obtained the lean blow out limit and the LBO fuel-air ratio of this combustion organization by experiment measurement to build the flameout model.Above all these work, the flow field characteristics effecting on combustion characteristics and combustion stability mechanism are illustrated. This research will present original products and provide the scientific basis and technical support for the structure design and preformance optimization of the new high efficiency combustor.

项目围绕同心分级的多旋流燃烧组织模式下高湍流度，高耦合性流场组织条件下获得良好燃烧特性与燃烧稳定性这一关键科学问题，采用理论分析、实验研究和数值计算相结合的方法开展研究.对燃烧组织模式下的流场特性进行PIV实验测量与数值模拟，获得该燃烧室内的流场结构，阐明旋流器结构、值班级与主级流量分配等对该燃烧流场结构的影响规律；针对该燃烧组织模式下的燃油雾化流场开展试验研究和数值模拟，分析燃油雾化特性对燃烧稳定性的影响规律；此外对燃烧组织模式下的燃烧稳定性进行实验测量，获得贫油熄火边界与贫油熄火油气比，从而构建熄火模型。通过研究最终阐明流场特性对燃烧特性与燃烧稳定性的影响机理。该项研究必将提出原创性成果，将为新型高效燃烧室的设计与性能优化提供理论依据与技术支持。

先进高温升低污染主燃烧室设计中，主燃烧室头部空气旋流组织形式和喷嘴的匹配关系将直接影响燃烧室综合燃烧性能，为确保燃烧室获得良好的点/熄火特性，拓宽稳定工作边界，燃烧组织机理研究和模型构建凸显重要。项目自2015年立项以来，围绕分级燃烧的多重旋流燃烧组织机理开展了研究。直接针对先进航空发动机燃烧室头部高湍流，高速度的极端燃烧流场条件下的同心分级多重旋流燃烧组织方式，开展了空气流场特性、燃烧流场组织机理，流场结构与燃烧稳定性关系的研究。获得多重旋流耦合回流区的流场结构特性，建立适应于该燃烧组织模式的燃烧流场组织机理与贫油熄火机理。通过对流场特性研究发现燃烧室下游流场仅存在由预燃级主导形成的回流区，该回流区尺寸较小，当采用预燃级内级旋流主导方案将使中心回流区的回流速度有所减小，主燃级两级气量分配比例变化将影响主燃级旋流强度，造成主燃级出口气流张角的变化；通过对雾化特性的研究发现主/预级燃油SMD均随着旋流器压降的增加而减小，预燃级SMD受压降的影响更为显著， 随着供油油量的增加，预燃级SMD也会增加，而主燃级SMD则呈先下降后上升的趋势。当预燃级采用预燃级内级旋流主导时，其SMD更低；增加主燃级外级气量分配比例或增加主燃级燃油喷点数目，将更利于主燃级燃油的雾化。针对主旋流器分层板结构、预燃级出口形状对流场、雾化场以及点熄火性能的影响发现，分层板较长时的回流区几乎充满整个测量区域，燃油分布主要集中于外层气流中，极少燃油卷吸进入预燃级附近，分层板短时，回流区径向尺寸较小，主燃级燃油部分进入中心回流区。主燃级分层隔板长度增加可以使点熄火性能得到改善；预燃级出口形状对控制涡形成、燃油雾化锥角以及点熄火性能起到关键作用。根据燃烧场中产物浓度分布构建了多级旋流燃烧组织下的熄火预测模型，通过试验验证，证明了熄火预测模型的可行性。整个项目研究过程中，发表论文6篇，其中SCI 2篇，EI 3篇 会议1篇,申请国防专利2项，发明专利1项，同时掌握了分级燃烧的多重旋流燃烧组织方式的特点，将为新型高效燃烧室的设计与性能优化提供理论依据与技术支持。。