于 雷，王成軍，陳賀賀，申力鑫，劉愛虢

(沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)試驗室，沈陽 110136)

示蹤粒子對雙級旋流燃燒室流場影響分析

于 雷，王成軍，陳賀賀，申力鑫，劉愛虢

(沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)試驗室，沈陽 110136)

示蹤粒子特性對于PIV試驗研究至關(guān)重要，進(jìn)而影響流場分布的準(zhǔn)確性。通過建立示蹤粒子運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，分析了4種示蹤粒子跟隨性，確定出比較適合模擬流場的示蹤粒子，并在雙級徑向旋流燃燒室中進(jìn)行了PIV試驗驗證與分析。結(jié)果表明：通過理論計算，4種粒子均滿足流場跟隨性的要求，面粉跟隨性好于其它3種示蹤粒子；通過燃燒室頭部PIV流場試驗，顯示出4種示蹤粒子均滿足雙級旋流流場跟隨性要求和流場流動特點(diǎn)，但4種示蹤粒子跟隨性略有差別，面粉要好于其它3種示蹤粒子。通過理論計算與試驗的對比，簡化的BBO方程建立數(shù)學(xué)模型能夠較好反映出雙級旋流燃燒室頭部流場的跟隨性。

示蹤粒子；跟隨性；PIV；雙級旋流器；燃燒室；流場模擬

為滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)高溫升要求，燃燒室整體油氣比增大，主燃區(qū)的進(jìn)氣量相應(yīng)增大[1]，相應(yīng)的燃燒流場變得復(fù)雜。為擴(kuò)大燃燒室的穩(wěn)定工作范圍，改善燃油霧化質(zhì)量，燃燒室旋流器逐漸發(fā)展為雙級和三級[2]。其中，雙級徑向旋流燃燒室是實現(xiàn)高溫升要求的一種形式，其中一級旋流器用以提高燃油氣動霧化質(zhì)量；二級旋流器主要作用是在燃燒室頭部形成充足的回流區(qū),以穩(wěn)定火焰，實現(xiàn)燃燒室的穩(wěn)定工作[3]。PIV技術(shù)能夠在不干擾流場的情況下，獲得整個瞬時以及時均的速度場，并且可以進(jìn)一步得到渦量場等參數(shù)，很快便在流場測量中獲得了廣泛應(yīng)用。其綜合了單點(diǎn)測量和流動顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，既具有高精度和高分辨率，又能夠獲得平面流場顯示的整體結(jié)構(gòu)、瞬態(tài)以及平均圖。PIV的測量精度取決于粒子的光散射性、跟隨性、粒子在空間的分布濃度與均勻程度、激光器和光學(xué)系統(tǒng)的性能和影像的處理方式[4]。

示蹤粒子特性是所有PIV試驗研究中的關(guān)鍵問題，由于PIV技術(shù)依靠具有散光性、跟隨性的示蹤粒子運(yùn)動來顯示流場流動情況，通過計算流場中各示蹤粒子速度，從而獲得整個流場的速度信息。實際上PIV試驗得到的是示蹤粒子的流場，由此而言，選擇示蹤粒子是否適合被測流體，將在很大程度上影響流場的測量精度。Melling A等[5]討論了球形粒子阻力的計算方法，給出了不同大小、不同種類粒子在紊流中的頻率響應(yīng)特性，介紹了已經(jīng)在流體中使用過的粒子及其特性，并且對比了液體、固體示蹤粒子的優(yōu)缺點(diǎn)。

目前，跟隨性研究主要集中的是理論分析與數(shù)值計算，如，李恩邦等[6-7]利用量綱分析法研究全場光學(xué)測量示蹤粒子的跟隨性，得出了粒子跟隨性的無量綱表達(dá)式，并對湍流中粒子運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值計算。舒瑋[8]通過對粒子運(yùn)動的BBO(Basset-Boussinesq-Oseen)方程做了適當(dāng)變換，再應(yīng)用Fourier積分變換求出粒子跟隨性問題的精確解，得出影響粒子跟隨性的關(guān)鍵影響因素是粒徑dp和湍流的頻率ω，并估算出湍流的高頻分量，計算結(jié)果與Mazumder[9]實驗值相符合。沈鈞濤等[10]研究了球形粒子在相對雷諾數(shù)很小均勻流場中跟隨性問題，分析了粒子跟隨性對外力、初始條件和流場性質(zhì)的依賴關(guān)系；在均勻湍流場中，分析了不同密度比和擾動頻率對跟隨性的影響。阮彩群等[11]利用簡化的粒子運(yùn)動方程，得出跟隨時間與速度比之間的關(guān)系，并對示蹤粒子MgCO3跟隨性進(jìn)行計算，確定其滿足作示蹤粒子的要求，并與實驗結(jié)果吻合較好。

國內(nèi)外關(guān)于雙級旋流燃燒室流場已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，EI-Kady A.M.等[12]利用PIV試驗研究了斜切徑向旋流器模型燃燒室下游流場，給出了不同主燃孔軸向位置和流量對燃燒室內(nèi)流場、回流區(qū)以及污染特性的影響；Giridharan M.G等[13]基于CFD方法與實驗方法對CFM56發(fā)動機(jī)旋流杯火焰筒頭部流場進(jìn)行了計算與分析，所得結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好；Archer等[14]利用PIV技術(shù)試驗研究雙級軸向旋流器下游管內(nèi)或管外冷態(tài)或燃燒三維流場，研究結(jié)果表明燃燒對管內(nèi)與管外流動特性影響不太相同，而在燃燒情況下管內(nèi)流動時形成的回流區(qū)尺寸要比管外流動略??；文獻(xiàn)[15]基于PIV技術(shù)試驗研究雙級軸向旋流器下游煤油油霧冷態(tài)及其燃燒流場，給出了旋流葉片安裝角對油霧燃燒流場的影響；徐榕等[16]利用數(shù)值計算方法，對環(huán)形燃燒室全流程兩相燃燒流場進(jìn)行了研究，并分析了進(jìn)口工況對全流程燃燒流場的影響。

上述研究都沒有涉及示蹤粒子和雙級旋流燃燒室流場相結(jié)合進(jìn)行跟隨性的研究，本文主要針對面粉、淀粉、石膏粉和氧化鋁(Al2O3)粉作為示蹤粒子進(jìn)行理論計算和實驗研究。通過文獻(xiàn)[11]中所述方法計算這4種粒子跟隨時間，通過PIV試驗得出不同粒子的瞬時速度場以及沿著燃燒室高度方向的雙級旋流器出口位置和主燃孔位置而為速度分布，分析得出這4種示蹤粒子在該流場中流動顯示特性的優(yōu)劣。根據(jù)挑選出跟隨性較好示蹤粒子進(jìn)一步進(jìn)行PIV試驗測量，驗證其在不同湍流強(qiáng)度下的跟隨性，進(jìn)而得到適合雙級旋流燃燒室PIV冷態(tài)流場測量的示蹤粒子。

1 示蹤粒子跟隨性理論分析

1.1 示蹤粒子的選擇

PIV試驗的示蹤粒子首先必須滿足一般標(biāo)準(zhǔn)，即示蹤粒子應(yīng)具有很好隨動性,取決于粒子的直徑、(堆)密度、光散射性。具有合適的密度是示蹤粒子的基本要求,合適的示蹤粒子尺寸能夠保證流場測量的精度,示蹤粒子要求具有良好的光反射性[17]。滿足上述的基本要求后，還應(yīng)該考慮粒子的經(jīng)濟(jì)性和安全性等。江平等[18]利用淀粉、面粉、石膏粉和Al2O34種示蹤粒子的PIV試驗對三級旋流杯燃燒室流場進(jìn)行測量。蔣波等[19]通過PIV試驗對低排放駐渦燃燒室冷態(tài)流場進(jìn)行測試，選用輕質(zhì)MgO作為示蹤粒子；文獻(xiàn)[10]選用MgCO3作為示蹤粒子。本文根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和易獲得性選定淀粉、面粉、石膏粉和Al2O3作為示蹤粒子，4種粒子均為白色粉末，通過1 250目篩網(wǎng)篩出4種粒子平均直徑均為10 μm。

1.2 示蹤粒子物理屬性

選用的4種示蹤粒子淀粉、面粉、石膏粉和Al2O3均為白色粉末，無毒無味。各粒子物理屬性如表1，其中ρp為堆積密度，通過比重瓶法測得；dp為粒子直徑。流體為空氣，在20℃條件下動力粘度μf=1.83×10-5Pa·s，密度ρf= 1.23×10-3g·cm-3。

表1 示蹤粒子的物理屬性

1.3 粒子跟隨性的數(shù)學(xué)模型

粒子圖像測速儀測得的流場速度實際上是投放粒子的速度，因此，只有在粒子跟隨性較好的情況下測得的速度才能代表流體的速度，這樣就涉及到跟隨性問題。BBO方程[8]是考慮了粘性阻力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力和巴塞特(Basset)力、忽略了薩夫曼(Saffman)升力、馬格努斯(Magnus)升力、浮力和重力的影響，利用牛頓第二定律得出的。當(dāng)粒子直徑很小時，達(dá)到微米量級時，流體速度uf與粒子速度up相差不大時，采用小雷諾數(shù)假設(shè)，只考慮粒子的粘性阻力作用的影響，使BBO方程得到進(jìn)一步簡化，得出示蹤粒子跟隨性計算的數(shù)學(xué)模型。利用這一數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出粒子跟隨時間的計算式，單個粒子在運(yùn)動流體中所受阻力為

(1)

式(1)中，CD為無因次阻力系數(shù)；AP為物體垂直于流體運(yùn)動方向的投影面積，m2；uf為流體的速度，m/s；up為粒子速度，m/s。

依據(jù)牛頓第二定律，其運(yùn)動方程為

(2)

up=uf[1-e-k(t-t0)]+up0e-k(t-t0)

(3)

當(dāng)t=t0時，up=up0，假如在t=0時刻，以零速率(up0=0)把粒子投放到氣流中，則有

up=uf[1-e-kt]

(4)

這樣就得到了up、uf和時間t的函數(shù)關(guān)系式。上述等式中ρp為粒子的堆積密度，kg/m3；mp為單個粒子的質(zhì)量，kg/m3；dp為單個粒子的直徑，m。

1.4 粒子跟隨時間計算與跟隨性比較

由式(3)、式(4)式經(jīng)過變換整理得到跟隨時間t關(guān)于up/uf的函數(shù)關(guān)系式如下

(5)

根據(jù)式(5)計算4種粒子的跟隨時間進(jìn)而判斷出跟隨性優(yōu)劣。具體方法為每種粒子流速比(up/uf)取逐漸逼近于1的10組數(shù)據(jù)，依次計算對應(yīng)的跟隨時間，計算結(jié)果如表2所示。

計算結(jié)果顯示當(dāng)粒子速度逼近流體速度即up/uf= 0.999 9時，4種粒子所需的時間接近千分之一秒，跟隨性均能夠滿足要求，均可用作示蹤粒子，但面粉跟隨性更好。

表2 4種粒子的跟隨時間計算結(jié)果

2 4種示蹤粒子在雙級旋流燃燒室流場中的特性

2.1 雙級旋流燃燒室模型

燃燒室試驗?zāi)Ｐ筒捎脝晤^部雙級徑向旋流矩形模型，如圖1所示，主要包括擴(kuò)壓器、燃燒室機(jī)匣、火焰筒和雙級徑向旋流器。火焰筒上下壁面分別均勻布置有3個主燃孔和2個摻混孔；為了便于PIV系統(tǒng)試驗和觀察，整個模型采用有機(jī)玻璃材料制成，省略了一些較小結(jié)構(gòu)、火焰筒壁氣膜冷卻孔和燃油噴嘴等。雙級徑向旋流器，如圖2所示，由一級徑向旋流器、二級徑向旋流器、文氏管和套筒組成，其中一級旋流器旋流數(shù)為1.02，葉片數(shù)為8片，旋向沿流動方向為順時針，二級旋流器旋流數(shù)為0.97，葉片數(shù)為8片，旋向沿流動方向為逆時針。

2.2 PIV試驗系統(tǒng)及條件

2.2.1 PIV試驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)、粒子發(fā)生器、燃燒室試驗件、粒子成像速度儀系統(tǒng)和粒子回收器系統(tǒng)等部件組成。風(fēng)機(jī)功率為1.1 kW，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變進(jìn)口風(fēng)速；粒子發(fā)生器是由1.0 MPa空壓機(jī)打壓到裝有示蹤粒子容器中，再從容器中經(jīng)均勻分布器送入到管道系統(tǒng)進(jìn)行粒子發(fā)射，通過該粒子發(fā)生器發(fā)射的粒子能夠使查詢域中粒子達(dá)到PIV系統(tǒng)要求。PIV系統(tǒng)采用的是美國TSI 公司生產(chǎn)的二維粒子成像速度儀，系統(tǒng)由雙脈沖激光器、同步器、激光發(fā)射器、CCD相機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和導(dǎo)光臂組成，其中激光器工作頻率為10 Hz，CCD相機(jī)分辨率為1 600×1 200像素，采集速度為16幀/s，每兩幀圖像之間的最小時間間隔為15 μs，可見光波長為530nm，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用insight 3G軟件進(jìn)行分析，具有實時圖像采集和處理的能力。

圖1 燃燒室結(jié)構(gòu)圖

圖2 雙級旋流器幾何結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 試驗條件

試驗是在室溫290 K、常壓下進(jìn)行的，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到不同進(jìn)口風(fēng)速。

實驗包括兩部分：

(1)在一定進(jìn)口風(fēng)速下，分別選用4種示蹤粒子進(jìn)行流場試驗；

圖3 PIV試驗系統(tǒng)示意圖

(2)選用面粉作為示蹤粒子，研究進(jìn)口速度對燃燒室頭部流場的影響。

2.2.3 試驗結(jié)果與分析

(1)4種示蹤粒子下燃燒室頭部流場特點(diǎn)

在一定進(jìn)口風(fēng)速下，分別測得4種示蹤粒子的旋流燃燒室頭部流場。圖4為不同示蹤粒子下速度云圖；圖5為距旋流器出口50mm處軸向速度分布和徑向速度分布；圖6為主燃孔處軸向速度分布和徑向速度分布。

圖4 4種粒子的速度分布

從圖4可看出4種粉末作為示蹤粒子，都能產(chǎn)生雙級徑向旋流流場特點(diǎn)，即產(chǎn)生中心回流區(qū)，形成一定回流區(qū)和角區(qū)，并且回流區(qū)受到上下壁射流孔作用，體現(xiàn)射流有一定射流深度。但由于4種示蹤粒子密度不同，粒子的跟隨性有一定差距，形成的回流區(qū)的長度和大小也不同，相對于a、b和d跟隨性要好一些。這可從圖5旋流器出口截面軸向和徑向速度分布曲線進(jìn)一步可以看出。各曲線形態(tài)相似，都基本關(guān)于火焰筒中心對稱分布，中心速度基本為零，在靠近燃燒室壁面處有角渦形成。Al2O3和flour從軸向速度分布曲線可看出中心軸對稱性很好，而starch和gesso較差；而從徑向速度曲線可看出，4種示蹤粒子的跟隨性有較大差別，說明4種示蹤粒子由于受到雙旋流作用，即使受到質(zhì)量力相同，切向力導(dǎo)致所壓力梯度力和粘性擴(kuò)散力不同，所以徑向速度有差別較大區(qū)別。從圖6可看出，由于旋轉(zhuǎn)氣流受到主燃孔干擾后，軸向速度和徑向速度都有較大變化，這時主燃孔射流深度較深，達(dá)到燃燒室中心線，使得軸線速度變化趨勢基本相同。在主燃區(qū)徑向旋流作用后，徑向速度由變化趨勢不同，經(jīng)主燃孔射流作用，4種示蹤粒子所呈現(xiàn)徑向速度變化趨勢基本相同，這說明主燃孔對中心回流區(qū)影響很大，4種粒子在主燃區(qū)所呈現(xiàn)的回流區(qū)是不同的，而主燃孔射流影響后的流場特點(diǎn)基本相同。

(2)風(fēng)速對燃燒室頭部流場的影響

以面粉作為示蹤粒子，通過調(diào)節(jié)變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到4種進(jìn)口風(fēng)速。圖7為不同風(fēng)速情況下速度矢量圖；圖8為不同風(fēng)速情況下距旋流器出口50mm處軸向速度和徑向速度；圖9為主燃孔處軸向速度和徑向速度。

圖6 不同示蹤粒子在主燃孔處軸向和徑向速度曲線

從圖7中可以看出，隨著風(fēng)速逐漸增大，流場的湍流強(qiáng)度增大，粒子的速度逐漸增加，主燃孔射流比較明顯，整個速度場比較對稱，上下流場分布比較均勻，從實驗的角度驗證了該示蹤粒子具有很好的跟隨性。同時，流場隨著風(fēng)速的改變，流場各處特征并不明顯變化，表明湍流強(qiáng)度對流場中示蹤粒子的示蹤性影響可以忽略不計。

從圖8和9的燃燒室軸向速度的曲線可以看出，雙級旋流器出口中心截面上，不同風(fēng)速曲線基本成對稱狀，變化趨勢相當(dāng)，軸向速度梯度較大。速度曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，靠近中心軸位置速度曲線震蕩劇烈，這些特點(diǎn)表明旋流器出口軸向速度的不均勻分布，主要因為只有旋流器中有空氣流出，靠近火焰筒壁面軸向速度值為負(fù)，燃燒室中心軸在旋流器出口附近產(chǎn)生中心回流區(qū)，兩側(cè)產(chǎn)生小的回流區(qū)。

從圖9a可看出，燃燒室內(nèi)主流受主燃孔區(qū)域射流的影響后，流動相對平緩一些，但是軸向速度分布相對中心軸不對稱，且各個曲線的形狀和趨勢差別較大。這是由于隨著風(fēng)速的增大，主燃孔射流受到粒子流速變快的影響顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致該位置的射流與來流耦合作用對流場影響增強(qiáng)。從圖9b燃燒室徑向速度分布可以看出兩處位置徑向速度曲線的變化趨勢基本相同，不同風(fēng)速作用下的變化趨勢也基本一致。旋流器出口處的速度相對軸向速度來說較小，因為來流速度主要是靠軸向運(yùn)動起推進(jìn)作用，經(jīng)過旋流器的特殊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生徑向速度，產(chǎn)生回流區(qū)以穩(wěn)定燃燒。主燃區(qū)處徑向速度變大，主要由于橫向射流促進(jìn)作用。

圖8 不同風(fēng)速下雙級旋流器出口處軸向和徑向速度曲線

圖9 不同風(fēng)速下主燃孔處軸向和徑向速度曲線

3 結(jié)論

通過全文的闡述，可得到如下的主要結(jié)論：

(1)運(yùn)用BBO方程簡化后得到流場中示蹤粒子的跟隨性的數(shù)學(xué)模型理論計算定量分析出示蹤粒子跟隨性的優(yōu)劣：面粉>淀粉>石膏粉>Al2O3粉，從定性角度考慮，4種粒子的跟隨性滿足流場模擬要求；

(2)PIV試驗下不同示蹤粒子的雙級旋流燃燒室冷態(tài)流場示蹤性的優(yōu)劣比較：面粉>石膏粉>淀粉>Al2O3粉，Al2O3粉和淀粉相比其它兩種主要表現(xiàn)在射流穩(wěn)定性差，回流區(qū)變形嚴(yán)重；

(3)雙級旋流燃燒室流場湍流強(qiáng)度變化對示蹤粒子(面粉)的速度特性影響較小，除了特殊位置處軸/徑向速度變化受到射流和渦影響出現(xiàn)不同變化外，總的趨勢保持一致可忽略不計；

(4)不同湍流強(qiáng)度影響下的面粉作為示蹤粒子在雙旋流燃燒室頭部流場的跟隨性較理想，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。進(jìn)一步說明應(yīng)用簡化了的示蹤粒子跟隨性數(shù)學(xué)模型模擬雙級旋流燃燒室頭部流場的準(zhǔn)確性。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

Theeffectsoftracerparticlesonflowfieldofadualstageswirlcombustor

YU Lei,WANG Cheng-jun,CHEN He-he,SHEN Li-xin,LIU Ai-guo

(Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Characteristics of tracer particles are very important for PIV test research and affect accuracy of flow field distribution.A mathematical model about movement of tracer particles was established to analyze following performance of four kinds of tracer particles(i.e.starch,flour,gesso powder and Al2O3powder).The optical tracer particle was further selected and verified by PIV experiment in adual-stageradial swirl combustion chamber.The simulation results show that four kinds of particles are all able to meet the tracing require ments of flow field.The following performance of flour is better than the others.In view of PIV experiments of the head flow field,following performance of the four tracer particles all meet the requirements of dual-stage swirl flow field.There are the slight differences between following performance of the four trace particles,the flour is also the optimal.The comparison between theoretical calculations and experiments indicates the mathematical model established by simplified BBO equation can reflect the following performance of head flow field of dual-stage swirl combustor.

tracer particles;following performance;particle image velocimety(PIV);dual-stage swirler;combustor;flow field simulation

2017-04-21

國家自然科學(xué)基金(項目編號：51476106)；遼寧省自然科學(xué)基金(項目編號：2015020639)

于 雷(1993-)，男，遼寧撫順人，碩士研究生，主要研究方向：航空發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)，E-mail：1243892925@qq.com；王成軍(1967-)，男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要研究方向：航空發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)，E-mail：wangchengjun22@sina.com。

2095-1248(2017)04-0055-08

V211.7

： A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.04.007