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高温、低阻、高效加力燃烧室火焰稳定器机理研究

杜一庆  
【摘要】:开缝钝体能否成功地用于加力燃烧室稳定器,两个重要指标分别是阻力特性和火焰稳定性,即要求总压损失尽可能小的同时,维持在高温高速条件下的火焰稳定。开缝钝体的火焰稳定性能和阻力特性与尾迹中具有大涡尺度的拟序结构密切相关,目前对这方面的认识还较欠缺。因此,本文的重点是采取数值模拟和实验研究来解析钝体尾迹的拟序结构和旋涡脱落动力学机制,并对其火焰稳定机理进行了分析。这些研究旨在提供优化开缝钝体的基础理论或基础数据,为高速情况下的实验研究打下基础。 在雷诺数Re 为470000 条件下利用RNG k–ε模型对开缝三角形钝体和不同V 形钝体火焰稳定器的尾迹进行数值模拟。模拟结果与已有的实验结果吻合。将大涡模拟与RNG k–ε模型计算结果比较,也证实RNG k–ε模型适合于模拟通道内的开缝钝体尾流。从模拟结果得出,开缝V 形钝体在缝宽率为36%时,其火焰稳定能力和阻力特性综合性能达到最佳。分析了尾迹的拟序结构并将其描述为:偏向一侧的中缝流将近尾分成主回流区和次回流区,主回流区的旋涡脱落激发扰动引起近尾的绝对不稳定。首次提出单涡突然置于两剪切层间的旋涡脱落动力学机理。 采用常规单点测量方法在开式风洞中对不同开缝V 形钝体进行冷态实验,测量总压损失系数和反流区大小,实验结果验证了数值模拟结果。利用激光粒子测速在闭式风洞中对不同缝宽率的开缝钝体和相同缝宽率情况下不同形式的开缝钝体近尾结构进行了测量。研究不同的开缝钝体近尾湍流剪切流的统计特性和结构形态,及其动力学机制,如涡量的聚集、输运和演化等。首次提出旋涡脱落特征尺度来定量分析非稳态尾流,是一次意义重大的钝体绕流理论和实验分析方法上的创新。同时结合全程平均分析法,对大量的实验数据进行整理来定量比较不同钝体的尾迹结构,对开缝钝体的火焰稳定特性和阻力特性进行预测。 结合开缝钝体冷态流场分析,采用非定常方法对其火焰稳定机理进行了分析。研究首次发现,中缝流的存在使近尾中的湍能分布集中度下降,却增大了旋涡脱落特征


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