中心突扩燃烧室PIV实验研究

李 昊，林 明，张玉山，沈继奎，陈春德

（中国人民解放军91681部队，浙江 宁波 315731）

中心突扩燃烧室PIV实验研究

李 昊，林 明，张玉山，沈继奎，陈春德

（中国人民解放军91681部队，浙江 宁波 315731）

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究，测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系。实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场；对于不同突扩比的燃烧室，突扩面后的流场结构类似，但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同；在喷管入口处，流场在此处重新形成旋涡，其直径较大，但强度相对较弱。

中心突扩燃烧室；PIV；实验

0 引 言

中心突扩燃烧室是吸气式发动机（包括绝大多数的飞机发动机和部分冲压发动机）广为采用的一种燃烧室结构。到目前为止，世界各国对该型燃烧室的流动过程进行了较多的研究，如 Kenneth［1－2］对中心突扩燃烧室进行了气体冷流和丙烷燃烧试验，测量了不同尺寸和流速时的振荡频率，并利用纹影技术对燃烧过程进行了拍摄，对振荡燃烧的本质作出了自己的解释。Kailasanath［3］等对中心突扩燃烧室涡声相互作用进行了数值模拟。Akbari［4］也对该型燃烧室声场和流动的耦合关系进行了试验研究和数值模拟，分析了影响压强振荡频率的因素。Strakey［5］用二维PIV研究了冷流条件下旋流稳定中心突扩燃烧室的流动特性，并以此为据比较了不同方法数值模拟所得结果的可靠性。Sengissen［6］对分别中心突扩燃烧室冷态和反应条件下的流场特性进行了实验和数值模拟，分析了燃油调节结构所起的作用。但由于燃烧室本身流动的复杂性，及人们对冲压发动机越来越高的要求，对其内部流动过程的研究远远没有结束。

激光粒子成像测速（Particle Imaging Velocimetry）技术是在流动显示技术的基础上，利用图像处理技术发展起来的一种非接触式流场测量技术。其突破了空间单点测量技术的局限性，可在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息，从而获得流动的瞬时平面速度场、涡量场等，因此PIV技术非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构，是研究航空航天发动机流场特性的有效工具。国内引入PIV测试技术已有十余年，在工农业机械、航空航天、医学等诸多领域发挥着重要的作用，但目前多用于水流［7－12］或低速气体［13－21］流场的测量。作者利用PIV技术研究了较高速度条件下中心突扩燃烧室的流场特性。

1 试验装置及模型结构

试验装置由断路器、变频器、高压离心风机、软连接、CCD相机、粒子播撒设备、激光器、同步器、试验段和数据采集设备等组成（设备连接关系如图1所示，试验装置实景照片如图2所示）。激光器为Nd：Yag双脉冲式激光器，最大工作频率为15Hz；CCD的采集频率为30帧／s；风机为9－19－5.6A 型11kW高压离心式风机，最大流量为3619m3／h，最大全压为7182Pa，可为该模型提供最大100m／s的入口速度，为获得相对稳定的流场，将风机置于测试流场的下游，即采用吸气式设置；变频器为CHF100－7R5G／011P－4型通用变频器，通过变频器改变风机输入电压的频率，从而改变风机的转速，达到调节入口速度的目的。软连接段内部安装了稳流叶栅，一方面是为了隔离风机的振动，另一方面是为了减弱风机叶片旋转扰动对试验段流场的影响。

示踪粒子的选择对完成试验至关重要。试验过程中考虑过生物质粉、空心玻璃微珠、烟雾发生器产生的烟雾粒子、影视烟饼产生的烟气粒子、不同粒径的铝粉等。最终选择HWF－8高白填料氢氧化铝作为示踪粒子，粒子直径为8μm。其理由是：（a）粒子直径合适。一方面该粒子直径小于10μm，满足跟随性的要求；另一方面如果粒子的直径太小，则对CCD像素有更高的要求。HWF－8高白填料氢氧化铝能同时满足这两方面的要求。（b）粒子反射特性较好。HWF－8粒子为纯白色，光学反射特性比较好，CCD相机易捕捉。（c）价格低廉。由于PIV试验所需的粒子直径很小，而试验过程中气体流量很大（试验最大流量超过1kg／s），这为粒子回收装置的设计增加了难度。HWF－8高白填料价格低廉，这也使粒子回收装置的设计失去了意义。

为了研究不同外形尺寸对流动过程的影响，分别设计了两种不同突扩比的模型。如图3所示突扩比为2的模型A和如图4所示突扩比为3的模型B（根据研究目的及测量方便，模型的横截面设计为矩形，在垂直纸面方向尺寸相同），模型垂直纸面方向（Z方向）长度为100mm，为了减少边界效应的影响，取该方向的中截面进行测量。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic of test rig

图2 试验装置照片Fig.2 Picture of PIV test rig

图3 模型A尺寸（单位mm）Fig.3 Model A dimension（mm）

图4 模型B尺寸（单位mm）Fig.4 Model B dimension（mm）

2 试验结果及分析

分别对A、B两种模型在不同速度、不同位置的流场进行了测量。

（1）中心突扩燃烧室突扩面后流场结构

图5为模型A试验图片。从图中可以看出，粒子比较清晰，在整个测量流场中都分布有一定浓度的粒子，这是获得较好测量效果的先决条件。图6为根据互相关计算数据导入后处理软件得到的流场矢量图，坐标系如图3所示，坐标原点位于图中O点。

图5 模型A试验图片Fig.5 Test picture of model A

图6 模型A流场矢量图Fig.6 Flow vector of model A

试验条件为入口平均速度20m／s，激光频率15Hz，即图7中相邻两图时间间隔0.067s。由于试验条件限制，直径小于4mm的涡无法测出。

图7清楚地展现了突扩面后的流场结构，由图可以看出，整个回流区形成一个大的旋涡，这是主涡结构；同时大涡内部又出现多个旋涡，即次涡结构，从而形成大涡套小涡的流场结构。随着气体向下游流动，出现旋涡生成、发展、破碎、再生成的过程。从图7（a）中可以看出旋涡在剪切层中生成，在x＝70mm处出现第一个旋涡（直径大于4mm的涡，以下同），旋涡在向后运动的过程中逐渐发展，直径增大（图7（b）），强度减弱（图7（c）），直至破裂，同时新的旋涡在上游生成（图7（d））的周期性过程。

（2）不同入口速度时均流场结构

图7 模型A突扩面后流线图Fig.7 Streamlines backward dump interface of model A

图8 不同入口速度时均流场速度等值线图Fig.8 Time average contours of different inflow velocities

由于瞬时速度具有较大的随机性，取0.67s内时均x方向速度场（即10个瞬时速度场的平均）进行比较。图8为入口速度分别为20m／s和60m／s时的时均流场速度等值线图，流场结构基本类似，可见在高雷诺数条件下，回流区的形状尺寸基本保持不变。回流区最大负速度均出现在x＞50mm处，即x／h＞1（其中h为台阶高度）区域，而在x＜50mm的回流区内，流动相对平静。

图9给出了在不同的入口速度条件时，回流区的最大负速度绝对值u1与入口速度u的关系（注意由于受试验视域的限制，不能一次性测出整个回流区的流场，此处的回流区仅指一次试验所能测量回流区域，即突扩面至台阶后190mm范围内；图9中的数据较图8大，这是因为图8的图例中并没有给出最大最小值）。

图9 模型A回流区最大负速度与入口速度的关系Fig.9 Relation of the recirculation maximal negative velocity and inflow velocity of model A

图10 模型B试验图片Fig.10 Test picture of model B

（3）不同突扩比对流场结构的影响

图10为模型B试验图片。同样，该图中粒子比较清晰，分布比较均匀，浓度合适，满足试验要求。坐标系如图4所示，坐标原点位于图中O点。图11展现了模型B突扩面后的流场结构。该流场结构与模型A相应处的流场结构类似，也包含主涡结构与次涡结构。图12给出了在不同的入口速度条件时，模型B回流区的最大负速度绝对值与入口速度的关系。

（4）旋涡与喷管入口壁面的相互作用

图11 模型B流场矢量图Fig.11 Flow vector of model B

图12 模型B回流区最大负速度与入口速度的关系Fig.12 Relation of the recirculation maximal negative velocity and inflow velocity of model B

图13 旋涡向喷管入口运动图Fig.13 Vortexs move to the exhaust nozzle

由于喷管的存在，在其入口处存在明显的收缩，流场在此处重新形成旋涡，此处旋涡的特点是直径较大，但强度相对突扩处较弱。这是因为燃烧室与喷管之间是平滑过渡。图13展示了模型B旋涡向喷管入口处运动的过程（坐标系如图4所示，坐标原点移至图中O′点），图14展示了旋涡与喷管壁碰撞导致破碎的过程（两图时间间隔0.067s）。

图14 旋涡与喷管入口壁面碰撞图Fig.14 Impact of vortex and the nozzle wall

3 结 论

根据对中心突扩燃烧室进行的气体冷流PIV实验研究，得到如下结论：

（1）利用PIV测量方法能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场；

（2）不同突扩比的燃烧室，突扩面后的流场结构类似，即回流区的长度基本保持不变，整个回流区形成一个大的主涡结构，在主涡内部包含有多个旋涡组成的次涡结构，从而形成大涡套小涡的流场结构。随着气体向下游流动，出现旋涡生成、发展、破碎、再生成的周期性过程；

（3）对不同突扩比的燃烧室，回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同，在低速时二者近似于正比例关系，但随着入口速度的增大，斜率逐渐降低。在相同的入口速度条件下，模型B回流区的最大负速度绝对值小于模型A最大负速度绝对值；

（4）由于喷管的存在，在喷管的入口存在明显的收缩，流场在此处重新形成旋涡，此处旋涡的特点是直径较大，但强度相对突扩处较弱，碰撞过程导致旋涡破裂。

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李 昊（1978－），男，安徽安庆人，博士研究生。研究方向：航空航天发动机工作过程仿真。通讯地址：中国人民解放军91681 部 队 装 备 处 （315731）；电 话：13028985035；E－mail：lihwenh ＠ sohu.com。

Study on centeral－dump combustor by PIV

LI Hao，LIN Ming，ZHANG Yu－shan，SHEN Ji－kui，CHEN Chun－de
（PLA Unit No.91681，Ningbo Zhejiang 315731，China）

Using particle imaging velocimetry（PIV）technology，gas cold flow field experiments are performed on conditions of different inlet velocities in two kinds of central－dump combustor.The relations are analyzed between flow structures and other factors，such as inflow velocity，expansion ratio，exhaust nozzle etc.Experiment shows 2－D velocity field of combustor can be obtained by means of PIV at high inlet velocity.For combustors of different expansion ratios，the field structures are similar，but the relations of the maximal recirculation negative velocity and inflow velocity are different.At the entrance of exhaust nozzle vortex reappear and the diameter is bigger，but the vorticity intensity is weaker.

central－dump combustor；PIV；experiment

V211.7；V231.3

A

1672－9897（2011）04－0045－06

2010－01－14；

2011－02－28