关于LDI燃烧室旋流流动的实验研究.doc

单位代码 10006 学 号 1分类号 1密 级 毕业设计(文) 院（系）名称 专业名称 学生姓名 指导教师 201年 月 Yongqiang Fu, 和 San-Mou Jeng 辛辛那提大学，俄亥俄州 第43次AIAA/ASME/SAE/ASEE联合推进会议及展览 2007.7.10-2007.7.13 关于LDI燃烧室旋流流动的实验研究 Yongqiang Fu, 和 San-Mou Jeng 辛辛那提大学，俄亥俄州 对多点旋流文氏管贫油直接喷射（LDI）燃烧室的冷态旋流场的气动特性进行了实验研究。在76.2平方毫米的区域内设计了九个燃油喷嘴，这大概是传统燃油喷嘴相同的区域。每一个燃油喷嘴配有一个内部收-扩式的轴向旋流器来确保油气的快速混合并形成小的回流区一改善燃烧室特性。所有旋流器叶片尖部角度为60。,旋流数为1。一种新的设计，主喷嘴和旋流器采用嵌入式设计，来拓宽多点燃烧室的火焰稳定范围。实验研究了两种旋流器的安排，其中包括同旋阵列，旋流器的旋转方向都是一样的，还有一种反旋阵列，临近旋流器的旋流方向交替变换。3D粒子呈像测速技术（PIV）被用来测量旋流的瞬时和时匀流动结构和雷诺压力。详细的数据帮助理解多点旋流器的流场。实验表明，中心旋流器嵌入式排列的流畅结构会显著变化，在同旋或者反旋嵌入式的旋流器组合中心都会产生一个又短又强的回流区。基线旋流器排列相比较于嵌入式的旋流器排列在旋流器周围有更强的湍流活动。 命名 S:旋流数 UX,ux:X轴平均和瞬时速度 UY, uy:Y轴平均和瞬时速度 UZ, uz:Z轴平均和瞬时速度 X, Y, Z (x, y, z):在文氏管出口处建立的直角坐标系统 CORZ:角涡区 CTRZ:中心回流区 LDI:贫油直接喷射 LPP:贫油预混预蒸发 NOX:氮氧化物 PIV:粒子图像测速技术 9Pt-SV:9点旋丘LDI设计 Center Swirler: 9点旋丘LDI设计的中心旋流器 Side Swirler: 9点旋丘LDI设计中只有一面靠近靠近壁面的旋流器 Corner Swirler: 9点旋丘LDI设计中两面靠近壁面的旋流器  一、引言 低污染排放是一个现代化燃气轮机燃室的基本要求。在贫油边界处，NOX的排放与火焰温度呈指数函数。为了获得超低的NOX在尽可能低的火焰温度下燃烧时分常重要的，这可以通过在贫油条件下燃烧时的油气均匀混合来实现。贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室包括贫油的燃料混合蒸汽和进入头部区的空气，因此可以满足这些标准并且已经广泛应用到地面动力系统并在低NOX排放方面取得了巨大成功。然而对于高温度，高压力和高循环先进的航空发动机来说自动点火和预混器上还有问题。 对LPP的一个替换是贫油直接喷射式燃烧室（LDI）。燃油直接喷射到火焰区域，因此这个系统通过快速的油气混合减少了自动点火和回火的潜在可能。在现有的条件下，LDI燃烧室可以减少NOX排放50%-70%，并且有一个很好的火焰稳定特性。但是由于燃油没有预混预蒸发，燃油的雾化和与空气的快速均与混合是非常重要的。LDI的排放表现严重依赖于旋流器的设计。 一个LDI的概念是多点式的，燃油喷射，多区域燃烧，是Tacina et al首先提出来的。每一个燃油喷嘴都有一个旋流器来保证快速混合和一个小的回流区。快速均与混合，小的燃烧区域，短的停留时间可以得到低的NOX排放。在这个LDI得概念当中一些旋流器设计已经被研究过。Tacina et al.通过实验和数值方法研究了分开射流的空气旋流器。在进口温度810K和进口压力2760KPa条件下达到了NOX排放水平较1996年 ICAO标准下降了70%。大的径向叶片式旋流器其中光化学腐蚀分散联合的叶片将旋流器、燃油喷嘴连接为一个整体，也同样应用到这个LDI概念当中。 另一个轴向叶片式内部带有收扩式文氏管的轴向叶片式旋流器也被应用到LDI当中，被称为多点文氏旋流LDI。Tacina et al.在火焰筒中应用9点文氏旋流(9Pt-SV)进行了实验并得到了低的NOX水平。对于这个(9Pt-SV)设计，当旋流强度增强的时候NOX排放就降低，但是同时可操作性也降低了。对单旋流器Cai et al.研究了液体喷雾的表现和结构并发现燃油喷嘴的结构对液雾分布有强烈的影响。Fu et al.研究了单旋流器设计气动特性，发现了旋流强度，模拟喷嘴的插入长度和限制程度对平均值和湍流流场有着非常显著的影响