基于波瓣结构的LDI燃烧室头部方案研究

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航空发动机对燃烧室性能和氮氧化物排放水平的要求日渐高升,而贫油直喷(LDI)燃烧室作为一种新型低排放燃烧室具有较广阔的研究前景。波瓣结构由于其特殊的几何外形,可以用来高效地掺混波峰、波谷相邻涵道间的两射流。本文在现有LDI燃烧室结构基础上,尝试使用波瓣结构加强掺混特性,探究波瓣的结构参数对于燃烧室燃烧性能和降低氮氧化物排放的影响。本文采用数值模拟方法对基于波瓣结构的LDI燃烧室展开研究,分析其冷态流场、燃烧和排放特性。并与传统旋流器构造的单头部和3x3的九点LDI燃烧室的计算结果进行对比,分析掺混器结构造成的流场差异和燃烧特性优劣。研究结果表明,在冷态流场的计算结果中,旋流器和波瓣掺混器对下游流场的分布产生显著改变,来流在波瓣型燃烧室中具有较大的轴向速度,并在波瓣掺混器特殊的几何外形下形成了流向涡和正交涡,在中心轴两侧形成回流区。其中,三层波瓣掺混器相对于单层结构,对射流的发散、汇聚作用更加明显,能够使高速射流区缩小,气流掺混区域向来流上游方向移动、回流区扩大。在燃烧流场的计算结果显示,相较于旋流器阵列,波瓣燃烧室中高温区明显增长,但温度峰值明显降低。分析燃烧均匀性时发现,在径向方向,旋流器燃烧室优于波瓣燃烧室,而在轴向方向,波瓣燃烧室优于旋流器燃烧室。燃油沿径向的混合速度低于使用旋流器结构的情况,而高浓度区二者基本一致。两种模式下的燃烧排放NOX浓度水平处于相同数量级。对于波瓣掺混器,增加燃油喷射点的间隔,燃烧室最高温度略有增加,且高温区长度也随之增加,而温度分布系数和总压损失系数降低,轴向燃油质量浓度下降速度增加,NOX中低浓度区向来流下游方向移动。
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