顾大鹏，沈 忱，杨 帅，杨 桐

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

在航空发动机燃烧室性能设计中，如何提高燃油的燃烧效率、使燃烧室内流场稳定、将燃烧区设计至合理的范围内等都是需考虑的重要因素[1-2]。旋流器安装在燃烧室头部，其结构是影响燃烧室内空气和燃料掺混效果的直接因素，旋流器出口流场决定了发动机的工作状态和性能指标[3-5]。粒子图像测速仪（Particle Image Velocimetry，PIV）凭其精度高、对流场干扰小等特点在燃烧室内流场研究过程中得到广泛应用。

国内外学者对燃烧室流程进行了一系列研究。张欣等[6]利用PIV 对单头部燃烧室内湍流流场进行了测量，得到了不同旋流器几何参数对流场的影响规律；Wang 等[7-9应用PIV 针对旋流杯的不同结构对流场的影响进行了一系列研究，掌握了不同结构对流场的影响规律；唐军等[10]利用PIV 对斜切径向旋流器的环形燃烧室矩形模型内流场分布进行了测量；颜应文等[11]利用PIV 对旋流器旋流角度以及燃烧室内油气比不同对流场的影响规律进行了研究；Jeng 等[12-14]对旋流器出口不同边界条件下流场特性及对喷雾分布的影响规律进行了研究，探究了出口在受限及非受限条件下的流场分布及湍流度特点。本文在上述研究旋流杯、单级旋流器的基础上，对中心分级燃烧室头部主、副模旋流器相互影响关系进行了试验，探索主、副模旋流器的相互影响因素。冷态流场试验是在旋流器及燃烧室结构设计完成后、点火试验前进行的重要摸底性试验，在试验过程中多关注影响燃烧室点火成功的参数。在热态流场中由于燃烧释放大量热，使燃烧室内流场瞬态变化更剧烈，搅拌作用更强，影响流场的回流区尺寸及位置。研究燃烧室内冷态流场的分布规律的主要目的是为了确定新型燃烧室内流场中影响点火性能最重要的回流区位置、回流区大小及最大空气速度等参数。

本文以中心分级燃烧室内冷态流场分布特点作为研究对象，应用PIV 对带不同组合旋流器的中心分级燃烧室内冷态流场进行测量。

1 研究对象及测试系统

1.1 研究对象

旋流器结构及测试区域如图1 所示。该中心分级燃烧室头部包括主模旋流器、副模旋流器、直射式空气雾化喷嘴等。旋流器的主要作用是在燃烧室内部形成稳定的中心回流区，喷嘴的主要作用是保证燃油具有良好的雾化性能。高压空气经由主、副模旋流器后与通过喷嘴雾化的燃油在燃烧室内部形成油气混合气并稳定燃烧。主、副模旋流器均为径向旋流器，旋向相同。

图1 旋流器结构及测试区域

为研究主模旋流器对中心分级燃烧室内流场的影响，分别设计2 种旋流数的主、副模旋流器配合及副模旋流器单独工作的技术方案。其中主模旋流角度相同，主模A、B旋流器流通面积比为0.75。

1.2 测试系统

PIV 测试系统如图2 所示。试验采用美国TSI 公司生产的2 维PIV 系统测量燃烧室内部流场。测试系统包括双脉冲激光器、导光臂、片光镜、CCD 相机、同步器及计算机。单个脉冲激光最大能量为120 mJ，最高频率为20 Hz，空间分辨率为2048×2048 像素，速度测量精度为3%。测试过程中激光器振荡腔激荡形成柱形光束，通过导光臂并经片光镜将柱形光束转换成1 束平面扇形激光，经测试窗口照亮燃烧室内测试区域。高速CCD 相机通过同步器配合脉冲激光的激发时序对测试区域流场进行记录。

图2 PIV测试系统

在试验过程中选用PivPart40-Dry 系列粒子发生器，将粒子发生器与试验件进气管道并联，在粒子发生器两端分别设置阀门控制粒子在需要拍摄时进入测试流场中进行全局性均布撒播。根据BBO 方程[15]及Mie 散射相关理论[16]，选取跟随性最好的直径为3 μm 的甘油粒子作为本次试验的示踪粒子，甘油具有无污染、无毒性的特点。

2 试验结果分析

2.1 空气流量试验

在试验件出口为大气压力条件下进行空气流量试验，主模A+副模旋流器空气流量试验结果见表1。

表1 主模A+副模旋流器空气流量试验结果

从表中可见，在旋流器组合不变的条件下，随着进气压降的提高，空气流量随之增加；在相同进气压降条件下，主模A 的空气流量值小于主模B 的，这与主模B有效面积较大有直接关系。对比编号1与5及2 与6 可知，主模旋流器空气流量为副模旋流器的2倍，通过主模旋流器的高压空气是燃烧室内所需空气的主要来源，副模旋流器提供了喷嘴燃油雾化所需空气，用于改善燃烧室内燃油雾化效果。主、副模旋流器的空气相互作用，有利于燃烧室稳定工作[17]。

2.2 流场试验结果

2.2.1 中心截面流场测试结果

在试验过程中选取试验件通过燃油喷嘴的中心截面进行测量，定义沿气流流动的方向为X正向，测量截面内与X轴垂直向上方向为Y正向。X=0、Y=60 mm位置为试验件出口中心位置。编号1～5 中心截面流场速度矢量分别如图3～7所示，图中箭头的颜色表示流场中轴向速度的大小。

图3 编号1中心截面流场速度矢量

从图3中可见，在编号1试验条件下，速度场中最大速度为22.8987 m/s，流场内速度场分布大致呈沿试验件出口中心线对称分布，在主模旋流器出口位置上存在大小基本相同对称分布的逆时针旋转回流区，主要由主模旋流器出口叶片几何旋转角对气流的导向作用产生。在X轴大于20 mm、Y轴距中心轴距离大于20 mm 范围内射流形态基本对称。在引射作用下旋流器出口中心线上存在低压区和回流气流，从而在流场中形成稳定的中心回流区。后续试验状态也存在相似的旋转回流区及中心旋流区。但因试验状态不同，旋流区面积及位置也有所不同。

从图4中可见，在编号2试验条件下，由于供气压降提高，速度最大值增大且出现位置向X轴负方向移动，旋转回流区缩小，引射气流速度增大，中心回流区位置基本保持不变，但速度值13.95 m/s为编号1相同位置速度值5.82 m/s 的2 倍多。这与供气压降提高，流场内的空气流速增大，流场内相同位置上的压力提高直接相关。

图4 编号2中心截面流场速度矢量

从图5中可见，在编号3试验条件下，速度场中最大速度值大于编号1 的，这与主模旋流器B 的流通面积大于主旋流器A 的直接相关。与方案1 比较，方案3 的最大速度出现位置提前，旋流回流区的面积减小，中心回流区结构不完整，随着流通面积的增加，流场中气流径向速度减小，轴向速度增大，说明流通面积的变化对包括回流区尺寸、位置在内的流场特征参数均产生影响。

图5 编号3中心截面流场速度矢量

从图6 中可见，在编号4 试验条件下，与编号3 相比，其速度最大值有所增大，旋转回流区面积有所增加，射流流向及中心回流区无明显差别。与编号2 相比，回流区面积增加，流场内最大速度位置发生变化，速度最大值有所增大，射流流速及速度场呈中心对称分布更明显，轴向速度变大，径向速度减小，中心回流结构不完整。

图6 编号4中心截面流场速度矢量

从图7 中可见，在编号5 试验条件下，速度场沿旋流器出口中心线呈水平状分布，说明副模旋流器在燃烧室中起到的主要作用是提供高速气流，加强气流与油滴间的相互运动，提高喷嘴喷出燃油雾化效果，促进均匀混合气形成。在没有主模旋流器的条件下，内流场无回流区存在，最大速度值出现在旋流器出口附近。

图7 编号5中心截面流场速度矢量

2.2.2 测试区域流场参数分析

在编号1 试验时，测试区域中心截面距出口距离分别为10、30、50、70、90 mm 截面上轴向速度U及径向速度V分布如图8、9所示。

从图8 中可见，在中心截面上距离试验件出口50 mm 内，轴向速度沿旋流器出口中心线呈水平对称状分布，且轴向速度的最大值约为20 m/s，速度为负值的范围很小，说明在此范围内回流现象不明显。在X=70 mm截面上，旋流器出口上半部分轴向速度最大值仍为20 m/s，但最大值范围减小，同时存在轴向对称的回流区；在X=90 mm 截面上，轴向速度最大值仅为3 m/s，且存在大范围的回流区域。

图8 编号1中心截面轴向速度U分布

从图9 中可见，在X=50 mm 截面上，径向速度沿试验件出口中心位置呈中心对称，与径向速度方向沿Y轴负向为负值的定义相关；在其他位置截面上，径向速度较小（在个别位置上速度较大），表明该位置上的径向速度存在分量，而在其他位置上径向速度几乎为零。

图9 编号1中心截面径向速度V分布

图3、8、9 可全面反映被测截面的流场结构。其中图3 直观地反映出测量截面上不同位置的速度大小及方向，从而反映出平面内的空气压力的分布情况；图8、9细致分析了流场结构，直观展示了回流区的位置及范围，同时精确反映了各位置上速度分布特点。

3 结论

（1）在试验件不变的条件下，随着供气压降的提高，空气流量增大，流场中的旋转回流区位置向气流负方向移动，旋转回流区面积减小，中心回流区气流变化不大；

（2）当供气压降相同时，随着主模旋流器流通面积的增加，空气流量随之增大，旋转回流区位置及最大速度位置发生变化；

（3）通过测试区域流场参数分析，掌握了流场的具体结构及回流区位置、面积等信息，其中轴向速度为负值及径向速度不为零区域存在回流区。