李玉栋, 张 俊, 陈 爽, 涂晓波, 王林森

(中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000)

引 言

旋流广泛存在于燃烧器、 工业锅炉、 燃气轮机、 航空发动机等设备中[1]. 足够高的旋流强度, 会使流场中产生逆压梯度, 形成中心回流区, 能够增加火焰稳定性, 提高燃料掺混程度和燃烧效率.

旋流从喷嘴进入燃烧室经历突然扩张的过程, 通常用燃烧室直径与喷嘴直径的比值受限率表示旋流在燃烧室内的受限程度, 受限率越小, 表示流体受限的程度越强. 有研究表明[2]受限率是旋流器、 燃烧室结构设计参数中对旋流影响最显著的因素.

对于中心回流区, Sheen等[3]最早根据Reynolds数和旋流数划分了7种形态, 除了最后的合并形态, 其余6种在受限和非受限空间中差别很小. Archer等[4]采用粒子图像测速法(particle image velocimetry， PIV)研究了受限率为2的情况, 表明受限空间增加了中心回流区的湍动能, 减小了回流区宽度和回流速度. Fu等[5-6]采用激光Doppler测速法(laser dopler velocimetry， LDV)研究了不同受限空间内的旋流流动, 发现旋流杯尺寸为4.3 in × 4.3 in(1 in=25.4 mm)时, 产生了一个过渡的旋流状态, 与其他情况有显著的差异. 此外, Khalil等[7]、 Sharma等[8]研究了受限率分别为1.7和5.4的旋流流场. 以上都是对二维流场的研究. Ceglia等[9]采用层析PIV测量了受限率等于3.2时的三维流场, 并通过本征正交分解(proper orthogonal decomposition， POD)和低阶重构方法(low order reconstruction, LOR)重构了旋流场涡结构. 用涡核进动的三维结构, 直观地展示了旋流扩张角及回流区增大的情况.

采用光学测量方法研究受限空间旋流流场特性时, 由于结构限制、 壁面激光反……