旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的PIV分析

樊艳娜，毕明树，周一卉，赵晓敏，沙 嵬

（大连理工大学 化工机械学院，辽宁 大连 116023）

0 引 言

贫燃预混预蒸发燃烧室（Lean Premixed Prevaporized，LPP）是通过过量空气和燃料在燃烧室的上游充分混合，从而降低火焰温度以实现降低NOX生成的一种清洁燃烧技术。LPP的燃烧技术已经被广泛应用于航空航天等工业领域，但是它本身却存在着由燃烧动力学和操作条件改变等因素引起的燃烧不稳定性问题。目前，利用PIV等激光诊断技术来研究燃烧室内冷态流场特性已经成为分析燃烧室内部流场结构的一种主流趋势，进而从根本上探究燃烧室内部燃烧不稳定性问题，并对燃烧室热态流场行为起到指导作用。

韩启祥［1］等人设计了单头部的矩形燃烧室模型，并通过PIV技术研究了燃烧室内的流场结构以及旋流器结构参数的改变对流场内回流区的影响，实验进口压力为0.1065MPa。研究表明，减小一级旋流器的流通面积及旋流数，或增大二级旋流器的旋流数，回流区的尺寸会增大。Yan Yingwen［2］利用PIV技术研究了进口压力不大于0.12MPa时具有2级轴向旋流器的矩形燃烧室的旋流流场特性，得到了引起流场速度大小、脉动速度及回流区长度变化的因素，主要包括入口空气温度、燃料／空气比等。结果表明，随着入口空气温度和燃料／空气比的增加，初级回流区长度减小，且冷态流场的回流区长度大于反应流场。邓远灏［3］等人采用PIV技术对贫油预混预蒸发燃烧室的冷态流场进行了研究，实验压力不大于0.11MPa。研究发现燃烧室头部流场结构主要由中心回流区、角回流区和唇口回流区组成，且进口空气流量的变化几乎不影响回流区的长度。程勇和汪军［4］采用PIV技术研究了微型燃气轮机燃烧室火焰筒内旋流冷态流场的速度分布，得到了当空气流量为0.114m3／s时，燃烧室火焰筒内气体的时均切向速度分布及火焰筒中心截面和不同轴向位置的速度矢量分布。李昊［5］等人利用PIV技术对2种不同突扩比燃烧室的冷态流场进行了实验分析。研究表明，突扩比的改变对燃烧室突扩面后的流场结构影响很小。张建华［6］通过PIV技术测量了里克管内的冷态及热态流场分布，得到了冷态和热态工况下流场内的速度矢量图和轴向及径向速度分布，并发现热态条件下流场内速度变化比冷态时大。Sengisse［7］分别对部分旋流预混突扩燃烧室的冷态及反应流场特性进行了大涡模拟和实验研究，实验压力为0.15MPa，其中冷态流场实验是通过水洞实验模型实现的。Strakey［8］采用PIV技术研究了在环境温度和大气压力的条件下，2种实验配置的旋流稳定预混燃烧室内的冷态流场特性，实验主要测量了燃烧室的轴向、径向和切向速度分布，并与通过LES和RANS 2种方法得到的数值模拟结果进行了比较。结果表明，LES与实验均能清楚地观察到流场内的不稳定涡旋进动（PVC）现象，且进动频率是流速的线性函数。Tuncer［9］对常压下矩形预混旋流燃烧室内的冷态流场与火焰稳定间的关系进行了研究，实验以甲烷为燃料。结果表明，反应流场与冷态流场内均存在回流区结构，冷态流场中有一个稳定的回流区结构，且在反应流场中，楔形火焰会稳定在此回流区的边缘。Hong［10］利用PIV技术研究了涡和火焰交互作用下矩形燃烧室内贫燃预混火焰的燃烧动力学特性，实验中以H2和丙烷的混合物为燃料，在常规大气压力的条件下改变入口温度，得到了平均涡场及流线分布和瞬态火焰前部。Stöhr［11－14］通过激光诊断手段研究了燃气轮机矩形燃烧室内PVC和旋流火焰的相互作用，实验在大气压力条件下以甲烷为燃料，利用PIV和OH－PLIF技术同时测量了燃烧室内流场速度分布和火焰结构，并利用正交分解的方法分析了流场内的不稳定涡结构，得出了流场内的平均速度分布，并发现火焰主要稳定在存在PVC现象的内剪切层。Chterev，Foti［15］以天然气为燃料，实验压力为2×105Pa，利用PIV实验和LES 2种方式比较了3种不同配置的圆形旋流预混燃烧室内的冷态及反应流场特征。结果表明，燃烧室流场中会有角回流区及中心回流区的出现，且平均速度沿轴向是对称分布的。但利用PIV实验观察不到流场内的角回流区。

以上研究中主要是利用PIV技术对燃气轮机矩形燃烧室内的流场特性，包括流场内回流区分布、速度场和流线分布及其影响因素、突扩比改变对流场结构的影响、PVC现象进行了分析，但这些研究主要是在常压下进行的，很少涉及到入口压力为高压的条件。本文设计突扩比为3.1的圆形旋流燃烧室模型，并以空气为介质，主要利用PIV技术研究了高压进流条件下燃烧室冷态流场内的速度场、回流区分布和涡量场等特性。本文研究工作为燃烧室内反应流场的火焰结构、流场特性及脉动规律的研究奠定了基础。

1 实验流程

实验装置主要由燃烧室、烟雾粒子发生器、CCD相机、时序控制器、激光器和数据采集设备等构成。其中燃烧室横截面为圆形，外径为90mm，厚度为5mm。实验过程中向燃烧室通入空气，并以烟雾粒子作为示踪粒子随空气经过二级旋流后进入燃烧室中，再利用激光器和相机拍摄并记录燃烧室流场内示踪粒子的运动状态，以此获得流场形态。实验流程如图1所示（图中绿色线为实验所测的中轴面），实验装置如图2所示（图中H为旋流器距离燃烧室突扩面处的高度）。

用PIV系统测量燃烧室内流场结构时，需要加入合适的示踪粒子，在流场测试的过程中，示踪粒子的选择及其浓度大小是决定实验是否成功的重要因素。对于空气流场的测量，示踪粒子直径一般选在1.5～5μm之间。对示踪粒子的选择有以下几个假设：（1）示踪粒子完全跟随流体运动；（2）示踪粒子在流体中均匀分布；（3）示踪粒子位移均一；（4）示踪粒子有足够高的光散射率。本实验中示踪粒子由10D90SPT烟雾发生器提供，烟雾颗粒平均直径为1.5μm，如图3所示。示踪粒子图像清晰，分布均匀，能够保证流场的准确测量分析。

图1 实验流程示意图Fig.1 Scheme of the experiment

图2 实验装置图Fig.2 Sketch of the experimental apparatus

图3 示踪粒子散射光图像Fig.3 Scattered light images of the tracer particles

为了研究入口压力变化对旋流突扩燃烧室内冷态流场结构的影响，本实验设计了几种工况条件，分别取入口压力为0.1、0.3和0.7MPa，实验过程中入口空气温度保持不变为298K，旋流器的旋流叶片角度为45°，旋流数为0.8。详细的实验工况条件如表1所示。

表1 冷态流场测量实验工况表Table 1 Experimental condition of the cold－flow field measurement

2 实验结果及分析

本实验对燃烧室突扩面后中心轴截面的流场结构进行了研究，实验过程中拍摄了燃烧室突扩面后75mm范围内的流场结构，并且利用PIV系统自带的后处理软件对拍摄图像进行互相关及滤波分析，得到了不同实验条件下燃烧室内的空气流动特性。每种工况均考虑了3次实验的综合结果，具有可信性。

2.1 燃烧室内冷态流场结构及速度分布

图4为经过后处理后表1中实验2的工况下测得的燃烧室内冷态流场分布，激光拍摄频率为4.3Hz，激光拍摄2帧图片间的时间间隔为150μs。从图4中可以看出，在燃烧室流场内形成了大的旋涡。其中，图4（a）为轴向中心截面的速度矢量分布，图4（b）为轴向中心截面的流线分布，图4（a）中的红色点画线为燃烧室的中心轴线。由图4可以看出，燃烧室流场中存在中心回流区、角回流区及剪切层，且沿着燃烧室轴向方向，角回流区和中心回流区逐渐消失。这是由于空气流经旋流器时，旋流器叶片的导流作用而形成的切向、轴向和径向分速的三维旋转气流作用的结果。由图4还可以看出，沿着燃烧室轴向方向，中心回流区的宽度先增大（燃烧室突扩面处至轴向位置为33mm处），然后再缩小（轴向位置为33mm至轴向位置为55mm处）。

2.2 入口压力改变对回流区长度的影响

图5为表1中实验1、2和3的工况条件下燃烧室内的冷态流场速度矢量图，在图5中沿燃烧室轴向方向作轴向速度曲线，则从燃烧室突扩面处沿轴向方向的前两个轴向速度极值点之间的轴向间距即为角回流区长度；另外，沿轴向方向的最后一个轴向速度极值点至燃烧室突扩面处之间的轴向间距即为中心回流区长度。假设燃烧室轴向方向为坐标轴y，轴向速度为vy，对轴向速度求导数，微分曲线中处即为轴向速度的极值点，轴向速度的微分曲线如图6所示，图6中绿色虚线处，图6（a）中的L1为角回流区的长度，图6（b）中的L2为中心回流区的长度。由图5可以看出，在入口压力不同时，燃烧室冷态流场中均含有稳定的中心回流区及角回流区结构。由表1可知，3种实验条件下入口压力不断提高，入口流速及雷诺数也变大，实验2和3均为湍流流动状态（Re＞4000）。由图6可知，随着入口压力的增加，中心回流区及角回流区的长度均呈现减小的趋势。如表2所示，相对于实验1的情况，实验2和3的角回流区长度分别减少36.00%和52.00%，中心回流区长度分别减少7.55%和28.30%。这是因为当入口压力增大时，燃烧室入口速度増大，空气流经旋流器时产生的径向和和切向速度分量值就会增大，当高速空气碰撞燃烧室壁面时，就会使燃烧室内形成的回流区结构更早消失，即回流区长度缩短。

图4 实验4流场结构图Fig.4 Flow field structure of experiment 4

图5 不同工况下流场内速度矢量图Fig.5 Velocity vector diagram under different working conditions

图6 不同工况下的回流区长度Fig.6 Length of recirculation zones under different working conditions

表2 不同工况下的回流区长度Table 2 Length of recirculation zone under different working conditions

2.3 入口压力改变对回流区宽度的影响

图7为实验1、2和3的回流区最大宽度相对应的轴向速度沿径向位置的分布（轴向位置分别为z＝40，30，22mm），图中绿色虚线处轴向速度为0，最大轴向速度之间的间距即为回流区的宽度（图7中w），3种不同入口压力条件下相对应的回流区宽度及最大回流速度大小如表3所示。随着入口压力的增大，由图7可以看出，从实验1至3，燃烧室内回流区宽度逐渐减小，最大回流速度增大；如表3所示，相对于实验1的回流区宽度，实验2和3的回流区宽度分别减少6.80%和17.69%，最大回流速度分别增加110.03%和145.38%；同时，由回流区宽度最大值在不同的轴向位置处可知，随着入口压力的提高，燃烧室冷态流场内回流区中心位置逐渐向燃烧室入口移动。这是因为随着入口压力的增大，雷诺数变大，气体湍流运动剧烈，使得燃烧室的入口速度增加，从而使由燃烧室上游流入的新鲜空气运动得更快，就会更早在燃烧室内形成回流区结构。

图7 不同工况下的轴向速度分布Fig.7 Axial velocity distributions under different working conditions

表3 不同工况下的回流区宽度Table 3 Width of recirculation zone under different working conditions

2.4 突扩面后流场内涡的变化

图8为通过PIV系统后处理软件处理后的实验4工况条件下燃烧室内流场分布的流线图，图8（a）～（f）相邻2幅图像的时间间隔为Δt＝0.465s。由图8可以清楚地看出流场内涡的变化过程（红色虚线框标出的范围）。燃烧室内的回流区结构是由流场内旋涡变化产生的，高速空气向下游运动流经旋流器时，旋流器的旋流作用使燃烧室内部的流动更加紊乱，造成了燃烧室内部流动的不稳定性，从而产生旋涡并向下游移动，使流场中出现PVC现象，即出现旋涡生成、发展、破碎至再生成的过程。由图8（a）可知，在燃烧室流场内的外剪切层处生成小的旋涡，该旋涡变大并进一步发展为2个（见图8（b）），且强度减弱，直至最后破裂（见图8（d）），随后在燃烧室的上游，又会有新的旋涡的生成（见图8（f）），形成涡的周期性运动。

图8 不同时刻实验4的流线图Fig.8 Streamline of experiment 4at different times

3 结 论

通过对燃烧室冷态条件下流场特性的PIV实验研究，得到了如下结论：

（1）在燃烧室冷态流场中，沿燃烧室轴向方向，中心回流区的宽度先增大再减小。

（2）入口压力不同时，燃烧室流场中均含有稳定的回流区结构，且回流区长度及回流区宽度随着入口压力的增大而变小，回流区的强度随着入口压力的提高而增强。

（3）随着入口压力的提高，燃烧室冷态流场内回流区中心位置向燃烧室入口移动。

（4）燃烧室流场中有旋涡产生，在旋涡变化的过程中，能够在流场内观察到PVC过程。

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