基于PIV技術(shù)的雙旋流燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)測(cè)量

顧大鵬，胡文成，竇義濤

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)工作的日益重視及對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率需求的提升，要求開(kāi)發(fā)低排放燃燒室。旋流器結(jié)構(gòu)具有良好的氣動(dòng)霧化性能，可以實(shí)現(xiàn)空氣與燃料的混合。旋流器安裝在火焰筒的前端，主要功能是在火焰筒內(nèi)形成穩(wěn)定的回流區(qū)，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)燃?xì)饣旌?、穩(wěn)定火焰的設(shè)計(jì)目的。旋流器是燃燒室的重要組成部分，其設(shè)計(jì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)[1]和排放指標(biāo)。

粒子圖像測(cè)速儀（Particle Image Velocity，PIV）技術(shù)最早應(yīng)用于20世紀(jì)70年代，其自身精度高，為非接觸式測(cè)量，可以獲得瞬態(tài)流場(chǎng)及其精確的定量結(jié)果[2]。PIV測(cè)速技術(shù)在燃燒室內(nèi)流場(chǎng)研究中得到廣泛應(yīng)用。Elkady等[3]利用PIV測(cè)量了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，得到不同主燃孔位置對(duì)流場(chǎng)的影響；彭云暉等[4]對(duì)雙旋流空氣霧化噴嘴中2種不同的旋流杯出口套筒的主燃區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量研究；Pandu等[5]利用PIV測(cè)量燃燒室回流區(qū)尺寸、速度場(chǎng)，并對(duì)回流區(qū)的特征進(jìn)行研究；楊浩林等[6]利用PIV對(duì)擴(kuò)散燃燒流場(chǎng)的方法進(jìn)行研究；Wang H Y等[7-10]對(duì)不同結(jié)構(gòu)的旋流杯流場(chǎng)進(jìn)行系列研究，掌握了不同結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律；張欣等[11]利用PIV對(duì)單頭部雙級(jí)旋流器燃燒室紊流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，得出了不同旋流器幾何參數(shù)對(duì)流場(chǎng)內(nèi)速度分布和回流區(qū)結(jié)構(gòu)都有很大影響的結(jié)論；韓啟祥等[12]利用PIV技術(shù)對(duì)雙軸向反旋旋流器、單頭部、矩形模型燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究；胡好生等[13]利用PIV研究了偏心對(duì)雙級(jí)旋流器出口流場(chǎng)影響；唐軍等[14]利用PIV測(cè)量了采用斜切徑向雙級(jí)旋流器的環(huán)形燃燒室單頭部矩形模型的冷態(tài)速度場(chǎng)；王成軍等[15]利用PIV對(duì)3級(jí)旋流杯燃燒室流場(chǎng)進(jìn)行研究。

本文上述研究過(guò)程中只對(duì)旋流器出口位置上的單一截面流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，雖然得到了回流區(qū)尺寸，但是對(duì)回流區(qū)在空間的分布特點(diǎn)缺少必要的研究，本文利用PIV對(duì)帶雙級(jí)旋流器的模型燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，研究其內(nèi)部回流區(qū)形態(tài)，探索雙級(jí)旋流器冷態(tài)流場(chǎng)的分布規(guī)律。

1 試驗(yàn)件及測(cè)試系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)?zāi)M用燃燒室為矩形，從接口A、B分別進(jìn)氣，通過(guò)預(yù)混段后，各自通過(guò)其中1級(jí)旋流器，2級(jí)旋流器均為軸向旋流器，旋向相同，2級(jí)旋流器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。高壓空氣通過(guò)旋流器后進(jìn)入測(cè)試段并最終由接口C排入大氣。

圖1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

表1 進(jìn)口A、B同時(shí)進(jìn)氣流量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

PIV測(cè)速系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。該試驗(yàn)臺(tái)主要包括：PIV測(cè)試系統(tǒng)、雙旋流、單頭部低排放燃燒室試驗(yàn)件、粒子發(fā)生器、進(jìn)排氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)等。其中PIV測(cè)試系統(tǒng)包括：雙YAG激光器、激光器電源、導(dǎo)光臂、片光透鏡組、同步觸發(fā)器、CCD跨幀相機(jī)和計(jì)算機(jī)等，測(cè)量精度為0.2%。

圖2 PIV測(cè)速系統(tǒng)

本次試驗(yàn)選用Part40液體粒子發(fā)生器，該粒子發(fā)生器的工作介質(zhì)采用橄欖油，通過(guò)調(diào)節(jié)粒子發(fā)生器的進(jìn)、出口壓力，生成的示蹤粒子直徑為0.5～5 μm，根據(jù)Mie散射理論結(jié)合本試驗(yàn)特點(diǎn)，最終選擇直徑為4 μm液體粒子為本次試驗(yàn)的示蹤粒子。在試驗(yàn)件進(jìn)氣接口前進(jìn)行全局性均勻布撒示蹤粒子，直接由高壓空氣將示蹤粒子帶入試驗(yàn)測(cè)試區(qū)域內(nèi)，以增加示蹤粒子與高壓空氣接觸的時(shí)間，使其與高壓空氣充分混合，保證示蹤粒子對(duì)流場(chǎng)的良好跟隨性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 空氣流量試驗(yàn)

本次試驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃，試驗(yàn)件排氣通過(guò)管道排入大氣，空氣流量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)口A、B同時(shí)進(jìn)氣流量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，隨著供氣壓降的增大，試驗(yàn)件空氣流量增加，在同壓升條件下B口空氣流量增加值大于A口的，這與B口所對(duì)應(yīng)的旋流器的截面積大于A口的直接相關(guān)。

2.2 流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)選取試驗(yàn)件中心橫剖面及距離中心橫剖面距離為4 cm處的3個(gè)截面，分別定義為截面1、2、3，其中截面2為中心截面；選取4個(gè)縱剖截面，分別定義為截面 4、5、6、7，其中截面 4 距旋流器出口為 10 cm，4截面間距為12 cm，共計(jì)7個(gè)截面進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量。PIV測(cè)試截面位置如圖3所示。定義沿測(cè)試區(qū)域軸向方向?yàn)閄，徑向方向?yàn)閅，與XY平面垂直的方面為Z。

圖3 PIV測(cè)速截面

試驗(yàn)所得流場(chǎng)速度矢量如圖4～10所示。在進(jìn)行截面1、2、3試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量旋流器中心出口XY平面200 mm×200 mm范圍內(nèi)的流場(chǎng)，其中X軸坐標(biāo)0處距離旋流器出口10 cm；在進(jìn)行截面4、5、6、7試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量旋流器中心出口XY平面150 mm×150 mm范圍內(nèi)的流場(chǎng)。定義截面1、2、3為徑向截面，截面4、5、6、7 為軸向截面。

2.2.1 測(cè)試區(qū)域徑向截面測(cè)試結(jié)果

截面1、3為以試驗(yàn)件中心截面為中心相互對(duì)稱，如圖4、5所示。從圖中可見(jiàn)，在2種狀態(tài)下，2個(gè)截面的流場(chǎng)流動(dòng)方向相反，隨著供氣壓力的升高，流場(chǎng)內(nèi)的最高速度增加，高速區(qū)的面積減小。并且由于靠近中心截面，2幅流場(chǎng)圖中靠近試驗(yàn)件測(cè)試段的下表面位置上有回流區(qū)邊緣存在。隨著距試驗(yàn)件出口距離的增加，流場(chǎng)受到回流區(qū)的影響減小，氣流基本呈豎直方向運(yùn)動(dòng)。

圖4 截面1流場(chǎng)速度矢量

圖5 截面3流場(chǎng)速度矢量

試驗(yàn)件中心截面2流場(chǎng)如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，在2種狀態(tài)下，流場(chǎng)中均存在明顯回流區(qū)，流場(chǎng)形態(tài)基本一致。表明隨著試驗(yàn)件進(jìn)氣口壓降的增大，回流區(qū)變長(zhǎng)，進(jìn)氣壓降為4.78%時(shí)，回流區(qū)長(zhǎng)約150 mm，進(jìn)氣壓降為7.28%時(shí)，回流區(qū)長(zhǎng)約200 mm，回流區(qū)的面積增加，回流區(qū)內(nèi)的氣體流動(dòng)速度減小，回流更強(qiáng)烈。

圖6 截面2流場(chǎng)速度矢量

2.2.2 測(cè)試區(qū)域軸向截面測(cè)試結(jié)果

靠近旋流器出口截面的速度場(chǎng)如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，在速度場(chǎng)圖的下半部分存在大面積低速區(qū)，說(shuō)明在該位置截面上的流場(chǎng)速度值很小，與截面2圖中的回流區(qū)位置相對(duì)應(yīng)。

圖7 截面4流場(chǎng)速度矢量

軸向截面與試驗(yàn)件出口距離由近及遠(yuǎn)的速度場(chǎng)如圖8～10所示。從圖中可見(jiàn)，在相同截面上，隨著供氣壓力的增加，最大速度值也隨之增大；在相同試驗(yàn)狀態(tài)下，隨著距試驗(yàn)件出口距離的增加，截面上的最大速度值減小，中心低速區(qū)面積增加，圓形流場(chǎng)形態(tài)趨于方形流場(chǎng)。從圖中不難看出，軸向截面流場(chǎng)中的最大速度均在測(cè)試段的壁面附近分布。

2.2.3 截面2軸向速度分析

圖8 截面5流場(chǎng)速度矢量

圖9 截面6流場(chǎng)速度矢量

圖10 截面7流場(chǎng)速度矢量

進(jìn)氣壓降為4.78%時(shí)距測(cè)試區(qū)域邊緣距離為10、50、100、150、200 mm 的截面 2 上的軸向速度 U的徑向分布如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，在X=10 mm處，旋流器中心Y=20～110 mm及Y=170～200 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)速度區(qū)域，表明此處存在回流區(qū)，在整個(gè)截面上存在2處回流區(qū)，這與截面2該位置上的速度相對(duì)應(yīng)；在Y=0～20 mm和Y=110～170 mm范圍內(nèi)U為正值，可理解為該處為2級(jí)旋流器出口氣流的位置。隨著距旋流器出口距離的增加，回流區(qū)的軸向速度負(fù)值隨之減小。在X=200 mm處軸向速度負(fù)值已趨于零，表明在該位置已處在回流區(qū)邊緣。同時(shí)，從靠近Y=0位置開(kāi)始，速度正值的范圍增大，另一速度正值范圍在減小，回流區(qū)呈增大趨勢(shì)，2處回流區(qū)逐漸合二為一。

圖11 進(jìn)氣壓降為4.78%時(shí)截面2流場(chǎng)軸向速度U分布

進(jìn)氣壓降為7.28%時(shí)距測(cè)試區(qū)域邊緣距離為10、50、100、150、200 mm的截面2上的軸向速度U的徑向分布如圖12所示。從圖中可見(jiàn)，在X=10 mm處，旋流器中心Y=20～100 mm及Y=160～200 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)負(fù)速度區(qū)域，表明此處存在回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)的速度比進(jìn)氣壓降為4.78%時(shí)的更大，這與隨著進(jìn)氣壓降的增大，空氣流量增加有直接關(guān)系。隨著距旋流器出口距離增加，回流區(qū)的變化趨勢(shì)與供氣壓降為4.78%時(shí)的變化趨勢(shì)基本一致。

圖12 進(jìn)氣壓降為7.28%時(shí)截面2流場(chǎng)軸向速度U分布

2.2.4 測(cè)試區(qū)域徑向速度分析

進(jìn)氣壓降為4.78%時(shí)距測(cè)試區(qū)域邊緣距離為10、50、100、150、200 mm 的截面 2 上的徑向速度 V的徑向分布如圖13所示。從圖中可見(jiàn)，在X=10、200 mm處，徑向速度V幾乎為零，表明在該位置上流場(chǎng)速度在Y軸方向上的速度分量為零，結(jié)合圖11可知流場(chǎng)內(nèi)氣流以沿X軸方向運(yùn)動(dòng)為主，結(jié)合截面4流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖可知，在上述位置上各點(diǎn)存在沿Z軸方向的分速度。在 X=50、100、150 mm 處，Y=0～80 mm 位置，徑向速度V為正值，表明在該范圍內(nèi)存在回流區(qū)。在Y=80～200 mm位置，徑向速度V幾乎為零，表明在位置流場(chǎng)流動(dòng)方向以水平流動(dòng)為主。

圖13 進(jìn)氣壓降為4.78%時(shí)截面2流場(chǎng)徑向速度V分布

進(jìn)氣壓降為7.28%時(shí)距測(cè)試區(qū)域邊緣距離為10、50、100、150、200 mm 的截面 2 上的徑向速度 V的徑向分布如圖14所示。從圖中可見(jiàn)，在X=10、50、100 mm處，徑向速度V在Y=80 mm位置上發(fā)生由正轉(zhuǎn)負(fù)變化，說(shuō)明在Y=0～80 mm范圍內(nèi)，流場(chǎng)存在沿Y軸正方向的速度分量，表明在該范圍內(nèi)存在回流區(qū)；在Y=80～200 mm范圍內(nèi)，徑向速度V為負(fù)值，氣流運(yùn)動(dòng)速度有Y軸負(fù)方向上的分量，該位置也存在回流區(qū)。結(jié)合在該位置上軸向速度U分析可知，在該截面上存在2個(gè)不同的回流區(qū)。在X=150、200 mm處，在Y=0～70 mm內(nèi)徑向速度V大于零，此處仍存在回流區(qū)；在其他位置上徑向速度幾乎為零，與截面4流場(chǎng)速度矢量圖對(duì)比可見(jiàn)，在徑向速度幾乎為零的位置上，流場(chǎng)速度存在沿Z軸方向上的速度分量。

圖14 進(jìn)氣壓降為7.28%時(shí)截面2流場(chǎng)徑向速度V分布

3 結(jié)論

采用PIV對(duì)雙旋流燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）隨著進(jìn)氣壓降的增大，流場(chǎng)內(nèi)的最大流速隨之增大，流場(chǎng)回流區(qū)面積增加，回流區(qū)變長(zhǎng)，軸向截面內(nèi)流場(chǎng)的最大速度隨之增大，表明旋轉(zhuǎn)速度更快；

（2）通過(guò)軸向截面測(cè)試可知，在相同進(jìn)氣壓降條件下，隨著測(cè)量截面距旋流器出口距離增加，旋轉(zhuǎn)速度變小；

（3）在流場(chǎng)軸向速度U分布圖中，U為負(fù)值區(qū)域存在回流區(qū)，在流場(chǎng)徑向速度V分布圖中，V不為零區(qū)域存在回流區(qū)。