中心突擴燃燒室PIV實驗研究

李 昊，林 明，張玉山，沈繼奎，陳春德

（中國人民解放軍91681部隊，浙江 寧波 315731）

中心突擴燃燒室PIV實驗研究

李 昊，林 明，張玉山，沈繼奎，陳春德

（中國人民解放軍91681部隊，浙江 寧波 315731）

利用PIV技術對兩種不同尺寸的中心突擴燃燒室在不同入口速度條件下的冷態流場進行了實驗研究，測量并分析了流場結構與來流速度、突擴比、噴管收縮段等因素的關系。實驗結果表明利用PIV技術能較好地獲得高速條件下燃燒室二維速度場；對于不同突擴比的燃燒室，突擴面后的流場結構類似，但回流區的最大負速度與入口速度的比例關系不同；在噴管入口處，流場在此處重新形成旋渦，其直徑較大，但強度相對較弱。

中心突擴燃燒室；PIV；實驗

0 引 言

中心突擴燃燒室是吸氣式發動機（包括絕大多數的飛機發動機和部分沖壓發動機）廣為采用的一種燃燒室結構。到目前為止，世界各國對該型燃燒室的流動過程進行了較多的研究，如 Kenneth［1－2］對中心突擴燃燒室進行了氣體冷流和丙烷燃燒試驗，測量了不同尺寸和流速時的振蕩頻率，并利用紋影技術對燃燒過程進行了拍攝，對振蕩燃燒的本質作出了自己的解釋。Kailasanath［3］等對中心突擴燃燒室渦聲相互作用進行了數值模擬。Akbari［4］也對該型燃燒室聲場和流動的耦合關系進行了試驗研究和數值模擬，分析了影響壓強振蕩頻率的因素。Strakey［5］用二維PIV研究了冷流條件下旋流穩定中心突擴燃燒室的流動特性，并以此為據比較了不同方法數值模擬所得結果的可靠性。Sengissen［6］對分別中心突擴燃燒室冷態和反應條件下的流場特性進行了實驗和數值模擬，分析了燃油調節結構所起的作用。但由于燃燒室本身流動的復雜性，及人們對沖壓發動機越來越高的要求，對其內部流動過程的研究遠遠沒有結束。

激光粒子成像測速（Particle Imaging Velocimetry）技術是在流動顯示技術的基礎上，利用圖像處理技術發展起來的一種非接觸式流場測量技術。其突破了空間單點測量技術的局限性，可在同一時刻記錄下整個測量平面的有關信息，從而獲得流動的瞬時平面速度場、渦量場等，因此PIV技術非常適于研究渦流、湍流等復雜的流動結構，是研究航空航天發動機流場特性的有效工具。國內引入PIV測試技術已有十余年，在工農業機械、航空航天、醫學等諸多領域發揮著重要的作用，但目前多用于水流［7－12］或低速氣體［13－21］流場的測量。作者利用PIV技術研究了較高速度條件下中心突擴燃燒室的流場特性。

1 試驗裝置及模型結構

試驗裝置由斷路器、變頻器、高壓離心風機、軟連接、CCD相機、粒子播撒設備、激光器、同步器、試驗段和數據采集設備等組成（設備連接關系如圖1所示，試驗裝置實景照片如圖2所示）。激光器為Nd：Yag雙脈沖式激光器，最大工作頻率為15Hz；CCD的采集頻率為30幀／s；風機為9－19－5.6A 型11kW高壓離心式風機，最大流量為3619m3／h，最大全壓為7182Pa，可為該模型提供最大100m／s的入口速度，為獲得相對穩定的流場，將風機置于測試流場的下游，即采用吸氣式設置；變頻器為CHF100－7R5G／011P－4型通用變頻器，通過變頻器改變風機輸入電壓的頻率，從而改變風機的轉速，達到調節入口速度的目的。軟連接段內部安裝了穩流葉柵，一方面是為了隔離風機的振動，另一方面是為了減弱風機葉片旋轉擾動對試驗段流場的影響。

示蹤粒子的選擇對完成試驗至關重要。試驗過程中考慮過生物質粉、空心玻璃微珠、煙霧發生器產生的煙霧粒子、影視煙餅產生的煙氣粒子、不同粒徑的鋁粉等。最終選擇HWF－8高白填料氫氧化鋁作為示蹤粒子，粒子直徑為8μm。其理由是：（a）粒子直徑合適。一方面該粒子直徑小于10μm，滿足跟隨性的要求；另一方面如果粒子的直徑太小，則對CCD像素有更高的要求。HWF－8高白填料氫氧化鋁能同時滿足這兩方面的要求。（b）粒子反射特性較好。HWF－8粒子為純白色，光學反射特性比較好，CCD相機易捕捉。（c）價格低廉。由于PIV試驗所需的粒子直徑很小，而試驗過程中氣體流量很大（試驗最大流量超過1kg／s），這為粒子回收裝置的設計增加了難度。HWF－8高白填料價格低廉，這也使粒子回收裝置的設計失去了意義。

為了研究不同外形尺寸對流動過程的影響，分別設計了兩種不同突擴比的模型。如圖3所示突擴比為2的模型A和如圖4所示突擴比為3的模型B（根據研究目的及測量方便，模型的橫截面設計為矩形，在垂直紙面方向尺寸相同），模型垂直紙面方向（Z方向）長度為100mm，為了減少邊界效應的影響，取該方向的中截面進行測量。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of test rig

圖2 試驗裝置照片Fig.2 Picture of PIV test rig

圖3 模型A尺寸（單位mm）Fig.3 Model A dimension（mm）

圖4 模型B尺寸（單位mm）Fig.4 Model B dimension（mm）

2 試驗結果及分析

分別對A、B兩種模型在不同速度、不同位置的流場進行了測量。

（1）中心突擴燃燒室突擴面后流場結構

圖5為模型A試驗圖片。從圖中可以看出，粒子比較清晰，在整個測量流場中都分布有一定濃度的粒子，這是獲得較好測量效果的先決條件。圖6為根據互相關計算數據導入后處理軟件得到的流場矢量圖，坐標系如圖3所示，坐標原點位于圖中O點。

圖5 模型A試驗圖片Fig.5 Test picture of model A

圖6 模型A流場矢量圖Fig.6 Flow vector of model A

試驗條件為入口平均速度20m／s，激光頻率15Hz，即圖7中相鄰兩圖時間間隔0.067s。由于試驗條件限制，直徑小于4mm的渦無法測出。

圖7清楚地展現了突擴面后的流場結構，由圖可以看出，整個回流區形成一個大的旋渦，這是主渦結構；同時大渦內部又出現多個旋渦，即次渦結構，從而形成大渦套小渦的流場結構。隨著氣體向下游流動，出現旋渦生成、發展、破碎、再生成的過程。從圖7（a）中可以看出旋渦在剪切層中生成，在x＝70mm處出現第一個旋渦（直徑大于4mm的渦，以下同），旋渦在向后運動的過程中逐漸發展，直徑增大（圖7（b）），強度減弱（圖7（c）），直至破裂，同時新的旋渦在上游生成（圖7（d））的周期性過程。

（2）不同入口速度時均流場結構

圖7 模型A突擴面后流線圖Fig.7 Streamlines backward dump interface of model A

圖8 不同入口速度時均流場速度等值線圖Fig.8 Time average contours of different inflow velocities

由于瞬時速度具有較大的隨機性，取0.67s內時均x方向速度場（即10個瞬時速度場的平均）進行比較。圖8為入口速度分別為20m／s和60m／s時的時均流場速度等值線圖，流場結構基本類似，可見在高雷諾數條件下，回流區的形狀尺寸基本保持不變。回流區最大負速度均出現在x＞50mm處，即x／h＞1（其中h為臺階高度）區域，而在x＜50mm的回流區內，流動相對平靜。

圖9給出了在不同的入口速度條件時，回流區的最大負速度絕對值u1與入口速度u的關系（注意由于受試驗視域的限制，不能一次性測出整個回流區的流場，此處的回流區僅指一次試驗所能測量回流區域，即突擴面至臺階后190mm范圍內；圖9中的數據較圖8大，這是因為圖8的圖例中并沒有給出最大最小值）。

圖9 模型A回流區最大負速度與入口速度的關系Fig.9 Relation of the recirculation maximal negative velocity and inflow velocity of model A

圖10 模型B試驗圖片Fig.10 Test picture of model B

（3）不同突擴比對流場結構的影響

圖10為模型B試驗圖片。同樣，該圖中粒子比較清晰，分布比較均勻，濃度合適，滿足試驗要求。坐標系如圖4所示，坐標原點位于圖中O點。圖11展現了模型B突擴面后的流場結構。該流場結構與模型A相應處的流場結構類似，也包含主渦結構與次渦結構。圖12給出了在不同的入口速度條件時，模型B回流區的最大負速度絕對值與入口速度的關系。

（4）旋渦與噴管入口壁面的相互作用

圖11 模型B流場矢量圖Fig.11 Flow vector of model B

圖12 模型B回流區最大負速度與入口速度的關系Fig.12 Relation of the recirculation maximal negative velocity and inflow velocity of model B

圖13 旋渦向噴管入口運動圖Fig.13 Vortexs move to the exhaust nozzle

由于噴管的存在，在其入口處存在明顯的收縮，流場在此處重新形成旋渦，此處旋渦的特點是直徑較大，但強度相對突擴處較弱。這是因為燃燒室與噴管之間是平滑過渡。圖13展示了模型B旋渦向噴管入口處運動的過程（坐標系如圖4所示，坐標原點移至圖中O′點），圖14展示了旋渦與噴管壁碰撞導致破碎的過程（兩圖時間間隔0.067s）。

圖14 旋渦與噴管入口壁面碰撞圖Fig.14 Impact of vortex and the nozzle wall

3 結 論

根據對中心突擴燃燒室進行的氣體冷流PIV實驗研究，得到如下結論：

（1）利用PIV測量方法能較好地獲得高速條件下燃燒室二維速度場；

（2）不同突擴比的燃燒室，突擴面后的流場結構類似，即回流區的長度基本保持不變，整個回流區形成一個大的主渦結構，在主渦內部包含有多個旋渦組成的次渦結構，從而形成大渦套小渦的流場結構。隨著氣體向下游流動，出現旋渦生成、發展、破碎、再生成的周期性過程；

（3）對不同突擴比的燃燒室，回流區的最大負速度與入口速度的比例關系不同，在低速時二者近似于正比例關系，但隨著入口速度的增大，斜率逐漸降低。在相同的入口速度條件下，模型B回流區的最大負速度絕對值小于模型A最大負速度絕對值；

（4）由于噴管的存在，在噴管的入口存在明顯的收縮，流場在此處重新形成旋渦，此處旋渦的特點是直徑較大，但強度相對突擴處較弱，碰撞過程導致旋渦破裂。

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李 昊（1978－），男，安徽安慶人，博士研究生。研究方向：航空航天發動機工作過程仿真。通訊地址：中國人民解放軍91681 部 隊 裝 備 處 （315731）；電 話：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