基于PIV技術的雙旋流燃燒室冷態流場測量

顧大鵬，胡文成，竇義濤

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

近年來，隨著國家對環境保護工作的日益重視及對提高航空發動機燃燒效率需求的提升，要求開發低排放燃燒室。旋流器結構具有良好的氣動霧化性能，可以實現空氣與燃料的混合。旋流器安裝在火焰筒的前端，主要功能是在火焰筒內形成穩定的回流區，實現促進燃氣混合、穩定火焰的設計目的。旋流器是燃燒室的重要組成部分，其設計直接影響發動機的工作狀態[1]和排放指標。

粒子圖像測速儀（Particle Image Velocity，PIV）技術最早應用于20世紀70年代，其自身精度高，為非接觸式測量，可以獲得瞬態流場及其精確的定量結果[2]。PIV測速技術在燃燒室內流場研究中得到廣泛應用。Elkady等[3]利用PIV測量了燃氣輪機燃燒室內的流場結構，得到不同主燃孔位置對流場的影響；彭云暉等[4]對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流場進行測量研究；Pandu等[5]利用PIV測量燃燒室回流區尺寸、速度場，并對回流區的特征進行研究；楊浩林等[6]利用PIV對擴散燃燒流場的方法進行研究；Wang H Y等[7-10]對不同結構的旋流杯流場進行系列研究，掌握了不同結構對流場的影響規律；張欣等[11]利用PIV對單頭部雙級旋流器燃燒室紊流流場進行測量，得出了不同旋流器幾何參數對流場內速度分布和回流區結構都有很大影響的結論；韓啟祥等[12]利用PIV技術對雙軸向反旋旋流器、單頭部、矩形模型燃燒室內的冷態流場進行試驗研究；胡好生等[13]利用PIV研究了偏心對雙級旋流器出口流場影響；唐軍等[14]利用PIV測量了采用斜切徑向雙級旋流器的環形燃燒室單頭部矩形模型的冷態速度場；王成軍等[15]利用PIV對3級旋流杯燃燒室流場進行研究。

本文上述研究過程中只對旋流器出口位置上的單一截面流場進行測量，雖然得到了回流區尺寸，但是對回流區在空間的分布特點缺少必要的研究，本文利用PIV對帶雙級旋流器的模型燃燒室內冷態流場進行測量，研究其內部回流區形態，探索雙級旋流器冷態流場的分布規律。

1 試驗件及測試系統

1.1 試驗件

試驗件結構如圖1所示。試驗模擬用燃燒室為矩形，從接口A、B分別進氣，通過預混段后，各自通過其中1級旋流器，2級旋流器均為軸向旋流器，旋向相同，2級旋流器主要技術參數見表1。高壓空氣通過旋流器后進入測試段并最終由接口C排入大氣。

圖1 試驗件結構

表1 進口A、B同時進氣流量試驗測試結果

1.2 測試系統

PIV測速系統試驗臺如圖2所示。該試驗臺主要包括：PIV測試系統、雙旋流、單頭部低排放燃燒室試驗件、粒子發生器、進排氣系統、電氣系統及測量系統等。其中PIV測試系統包括：雙YAG激光器、激光器電源、導光臂、片光透鏡組、同步觸發器、CCD跨幀相機和計算機等，測量精度為0.2%。

圖2 PIV測速系統

本次試驗選用Part40液體粒子發生器，該粒子發生器的工作介質采用橄欖油，通過調節粒子發生器的進、出口壓力，生成的示蹤粒子直徑為0.5～5 μm，根據Mie散射理論結合本試驗特點，最終選擇直徑為4 μm液體粒子為本次試驗的示蹤粒子。在試驗件進氣接口前進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測試區域內，以增加示蹤粒子與高壓空氣接觸的時間，使其與高壓空氣充分混合，保證示蹤粒子對流場的良好跟隨性。

2 試驗結果分析

2.1 空氣流量試驗

本次試驗環境溫度為20℃，試驗件排氣通過管道排入大氣，空氣流量試驗結果見表2。

表2 進口A、B同時進氣流量試驗測試結果

從試驗結果可見，隨著供氣壓降的增大，試驗件空氣流量增加，在同壓升條件下B口空氣流量增加值大于A口的，這與B口所對應的旋流器的截面積大于A口的直接相關。

2.2 流場試驗結果

本次試驗選取試驗件中心橫剖面及距離中心橫剖面距離為4 cm處的3個截面，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7個截面進行流場測量。PIV測試截面位置如圖3所示。定義沿測試區域軸向方向為X，徑向方向為Y，與XY平面垂直的方面為Z。

圖3 PIV測速截面

試驗所得流場速度矢量如圖4～10所示。在進行截面1、2、3試驗時，測量旋流器中心出口XY平面200 mm×200 mm范圍內的流場，其中X軸坐標0處距離旋流器出口10 cm；在進行截面4、5、6、7試驗時，測量旋流器中心出口XY平面150 mm×150 mm范圍內的流場。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 測試區域徑向截面測試結果

截面1、3為以試驗件中心截面為中心相互對稱，如圖4、5所示。從圖中可見，在2種狀態下，2個截面的流場流動方向相反，隨著供氣壓力的升高，流場內的最高速度增加，高速區的面積減小。并且由于靠近中心截面，2幅流場圖中靠近試驗件測試段的下表面位置上有回流區邊緣存在。隨著距試驗件出口距離的增加，流場受到回流區的影響減小，氣流基本呈豎直方向運動。

圖4 截面1流場速度矢量

圖5 截面3流場速度矢量

試驗件中心截面2流場如圖6所示。從圖中可見，在2種狀態下，流場中均存在明顯回流區，流場形態基本一致。表明隨著試驗件進氣口壓降的增大，回流區變長，進氣壓降為4.78%時，回流區長約150 mm，進氣壓降為7.28%時，回流區長約200 mm，回流區的面積增加，回流區內的氣體流動速度減小，回流更強烈。

圖6 截面2流場速度矢量

2.2.2 測試區域軸向截面測試結果

靠近旋流器出口截面的速度場如圖7所示。從圖中可見，在速度場圖的下半部分存在大面積低速區，說明在該位置截面上的流場速度值很小，與截面2圖中的回流區位置相對應。

圖7 截面4流場速度矢量

軸向截面與試驗件出口距離由近及遠的速度場如圖8～10所示。從圖中可見，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；在相同試驗狀態下，隨著距試驗件出口距離的增加，截面上的最大速度值減小，中心低速區面積增加，圓形流場形態趨于方形流場。從圖中不難看出，軸向截面流場中的最大速度均在測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流場速度矢量

圖9 截面6流場速度矢量

圖10 截面7流場速度矢量

進氣壓降為4.78%時距測試區域邊緣距離為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，在X=10 mm處，旋流器中心Y=20～110 mm及Y=170～200 mm范圍內出現負速度區域，表明此處存在回流區，在整個截面上存在2處回流區，這與截面2該位置上的速度相對應；在Y=0～20 mm和Y=110～170 mm范圍內U為正值，可理解為該處為2級旋流器出口氣流的位置。隨著距旋流器出口距離的增加，回流區的軸向速度負值隨之減小。在X=200 mm處軸向速度負值已趨于零，表明在該位置已處在回流區邊緣。同時，從靠近Y=0位置開始，速度正值的范圍增大，另一速度正值范圍在減小，回流區呈增大趨勢，2處回流區逐漸合二為一。

圖11 進氣壓降為4.78%時截面2流場軸向速度U分布

進氣壓降為7.28%時距測試區域邊緣距離為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，在X=10 mm處，旋流器中心Y=20～100 mm及Y=160～200 mm范圍內出現負速度區域，表明此處存在回流區，回流區內的速度比進氣壓降為4.78%時的更大，這與隨著進氣壓降的增大，空氣流量增加有直接關系。隨著距旋流器出口距離增加，回流區的變化趨勢與供氣壓降為4.78%時的變化趨勢基本一致。

圖12 進氣壓降為7.28%時截面2流場軸向速度U分布

2.2.4 測試區域徑向速度分析

進氣壓降為4.78%時距測試區域邊緣距離為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，在X=10、200 mm處，徑向速度V幾乎為零，表明在該位置上流場速度在Y軸方向上的速度分量為零，結合圖11可知流場內氣流以沿X軸方向運動為主，結合截面4流場結構圖可知，在上述位置上各點存在沿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，表明在該范圍內存在回流區。在Y=80～200 mm位置，徑向速度V幾乎為零，表明在位置流場流動方向以水平流動為主。

圖13 進氣壓降為4.78%時截面2流場徑向速度V分布

進氣壓降為7.28%時距測試區域邊緣距離為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，在X=10、50、100 mm處，徑向速度V在Y=80 mm位置上發生由正轉負變化，說明在Y=0～80 mm范圍內，流場存在沿Y軸正方向的速度分量，表明在該范圍內存在回流區；在Y=80～200 mm范圍內，徑向速度V為負值，氣流運動速度有Y軸負方向上的分量，該位置也存在回流區。結合在該位置上軸向速度U分析可知，在該截面上存在2個不同的回流區。在X=150、200 mm處，在Y=0～70 mm內徑向速度V大于零，此處仍存在回流區；在其他位置上徑向速度幾乎為零，與截面4流場速度矢量圖對比可見，在徑向速度幾乎為零的位置上，流場速度存在沿Z軸方向上的速度分量。

圖14 進氣壓降為7.28%時截面2流場徑向速度V分布

3 結論

采用PIV對雙旋流燃燒室冷態流場特性進行了研究，得出主要結論如下：

（1）隨著進氣壓降的增大，流場內的最大流速隨之增大，流場回流區面積增加，回流區變長，軸向截面內流場的最大速度隨之增大，表明旋轉速度更快；

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

（3）在流場軸向速度U分布圖中，U為負值區域存在回流區，在流場徑向速度V分布圖中，V不為零區域存在回流區。