航空发动机燃烧室燃烧流场的PIV实验研讨.pdfVIP

空气动力测控技术五届四次测控学术交流会论文集 I 航空发动机燃烧室燃烧流场的PV实验研究 顾蕴松张召明 (南京航空航天大学空气动力学系，南京210016) 摘要发动机燃烧室内复杂燃烧流场的研究是推进技术研究的重要内容，准确的预测燃烧流场对目前的数值模 拟技术来说仍然是十分困难的．本文介绍了一种在常规粒子图像测试技术(PIV)基础上发展起来的、可进行复杂燃 烧流场特性研究的测试技术．采用高压微粒子投放、窄带滤波镜、二次同步快门和光学窗口气膜冷却除污等技术， 解决了常规PIV测试压力燃烧流动的困难，为研究发动机燃烧室内复杂燃烧流动提供了一种新的流场测试手段．实 测了燃烧室冷态，冷态喷油和雾化煤油燃烧状态下的速度场，分析了加力燃烧室内冷态和燃烧流场流态特征存在的 主要差异． 关键词加力燃烧室涡流器燃烧流动流场测量PIV 1．引言 高效的燃油经济性和低污染排放的目标需求，使得高性能的燃气涡轮发动机和相关技术研究一 直为世界各国科研机构高度重视和关注。为了提高军用和民用燃气涡轮发动机燃烧室的性能，迫切 需要了解燃烧室内燃烧流动的详细信息，特别是瞬态流动结构信息对研究火焰的稳定特性是非常重 要的。加力燃烧室内部为高温、高压的复杂燃烧流动，常规的接触性测试方法如热线风速仪、多孔 方向压力探针无法得到燃烧流动速度场。这些测试手段大多局限于应用在非燃烧状态，即冷态的流 场特性研究。在测量燃烧室回流区流动时，由于局部流动非常复杂，流动相对于热线和多孔方向压 力探针体轴的夹角常超过90度，超出了热线和七孔探针的测试能力，使得测量工作仅能在回流区外 的下游范围开展，不能得到完整的流场结构数据。激光多普勒测速仪(LDV)虽能以非接触测量方式 的测得燃烧流动速度场，但同上述两种测试方法一样都是采用单点移动扫描进行速度测试，仅能得 到平均速度场，而无法获得某一瞬时全流场流动结构信息。随着流体测量技术的飞速发展，非接触 瞬态流场测试技术一粒子图像激光测速技术(PIV)的出现突破了这种局限性。近年来，PIV在瞬态 流场测试方面得到了广泛的应用u刮，但燃烧流动的测量对于PIV测试技术来说仍然是一个挑战。 目前常规PIV在测量燃烧室流场遇到的主要困难有：1)燃烧室内部为高温、高压的复杂燃烧流 动，火焰温度高达1500K以上，要求选取的示踪粒子能耐高温，此外要特别设计在压力容器内的粒 子投放方式；2)燃烧火焰发出较高光强的宽频带可见光使PIV-CCD相机的光学元件发生像素感光饱 和现象，无法记录有效的粒子图像；3)激光片光入射和PIV-CCD记录光学窗口的粒子和燃油雾滴污 染问题。本文介绍了一种在常规PIV基础上发展的研究燃烧室燃烧流动速度场的测试技术。给出了 燃烧室内涡流器后冷态空气流动和煤油燃烧状态下的典型流动结构，为数值模拟方法提供了校验数 据。 2．实验设备及测试方法 2．I实验装置 实验装置如图1所示，采用两台IOOKW的压气机提供气源，进行热态燃烧实验时，气流在进入 燃烧室之前先通过电子加热器预热到500K。实验模型为单单元加力燃烧室简化模型，截面为矩形宽 lOOm、高100m，实验段长度200衄，燃烧室前安有涡流器和燃油喷嘴。燃烧室的进口速度为马赫数 空气动力测控技术五届四次测控学术交流会论文集 0．3。 计算机 同步器PIV相机器 图1加力燃烧室实验装置和燃烧流场PIV测试系统 2．2测试技术 试验在南京航空航天大学能源与动力工程学院燃烧实验室进行。测量测试区域为燃烧室涡流器 后纵截面上面积为80×80mm内的瞬态燃烧流场和平均燃烧流场二维流速分布。燃烧室进口速度为 0．3M数，先进行冷态流场测试，然后进行雾化煤油燃烧热态流场测试。 模型瞬态流场测试采用美国TSI公司粒子图像激光测速仪(PIV)，其主要部件有：1)双脉冲Nd： 隔可调，双脉冲激光重复频率为15Hz。在激光器出口安装了片光光学组件，将脉冲激光束变为有一 定扩散角的片光，并使在所测的流场区域片光厚度小于im。2)互相关CCD数字相机：粒子图像记 录装置为TSI公司的PIVCAM p 于1 s。3)操作系统由计算机、高速图像采集卡、PIV分析软件InsightNT和处理结果显示软件 互相关跨帧(f