壁面約束對旋流流場影響的實(shí)驗(yàn)研究

王博涵，姜 磊，胡宏斌

(1. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 1000493)

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室都在貧預(yù)混或者部分預(yù)混條件下工作以減少NOx排放。在燃燒室入口高來流速度和貧燃料當(dāng)量比條件下的火焰穩(wěn)定問題是燃燒系統(tǒng)中的首要挑戰(zhàn)。已有實(shí)驗(yàn)證明，利用旋渦流動產(chǎn)生的渦核破碎能很好解決這一問題[1]。旋流器產(chǎn)生的旋流流動導(dǎo)致高溫燃?xì)饣亓?，不僅降低氣流軸向速度，還能將熱量和活化自由基團(tuán)帶到火焰根部，和進(jìn)入燃燒室的新鮮燃?xì)鈸交?，以維持火焰在貧燃料條件下穩(wěn)定燃燒。這些有益效果也存在于旋流器的其他工程應(yīng)用中，如窯爐和工業(yè)燃燒器。因此，研究旋渦流動在不同條件下的流場結(jié)構(gòu)具有意義。

由于湍流火焰穩(wěn)定的機(jī)制建立在旋渦流動和化學(xué)反應(yīng)相互作用的基礎(chǔ)之上，所以影響流場結(jié)構(gòu)特別是回流區(qū)結(jié)構(gòu)的因素都將影響火焰穩(wěn)定性，這些因素包括但不局限于：流動空間是否受限、受限程度和來流雷諾數(shù)。另外，在燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室設(shè)計(jì)中存在旋流噴嘴的間距選擇問題，以及在工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)中存在爐膛尺寸與火焰形狀的匹配問題，這些都涉及到旋流燃燒器的受限流動特性。在受限壁面作用下，旋流流動會表現(xiàn)出怎樣的相異于非受限流動的特點(diǎn)？針對這一問題，國內(nèi)外開展了豐富多樣的研究。Cai等[2]為了進(jìn)一步發(fā)展旋流器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和積累經(jīng)驗(yàn)，使用激光多普勒測速儀在開放和八個(gè)不同受限程度條件下測量了旋流杯的冷態(tài)流場，發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃燒腔尺寸超過一定值時(shí)，受限流場特性和開放流場趨于一致。Fu等[3-5]在Cai[2]研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步豐富了不同類型旋流器的冷態(tài)受限流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對于雙級反向旋流杯[3]，隨著受限程度減弱中心回流區(qū)逐漸束腰收縮并最終被截?cái)酁樯舷聝蓚€(gè)，并且所有受限工況的回流區(qū)尺寸都大于開放工況。而對于單級軸向旋流器[4]正好相反，所有受限工況的回流區(qū)都小于開放工況，且回流區(qū)隨受限程度減弱而變寬變長，但沒有出現(xiàn)回流區(qū)被截?cái)嗟那闆r。文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)，在受限比(受限空間橫截面積與旋流器出口橫截面積之比)為3.9的壁面作用下，回流區(qū)寬度相對于開放空間稍微變寬、長度增大一倍，這歸因于他使用了與文獻(xiàn)[3]相同的反旋渦流器結(jié)構(gòu)。Archer和Gupta[6-10]研究了受限壁面和燃燒反應(yīng)對同向和反向雙旋渦流器流動特性的影響，發(fā)現(xiàn)受限壁面使同向旋流流場的回流區(qū)尺寸縮小，而使反向旋流的尺寸增大，旋流射流速度在受限條件下增大。Cheng等[11]研究了弱旋流燃燒器的流場，發(fā)現(xiàn)受限壁面對冷態(tài)流場影響較大，但對甲烷火焰的熱態(tài)流場幾乎無影響，作者指出受限壁面對火焰形態(tài)的影響程度與燃料種類和噴口幾何有重要關(guān)系。Nogenmyr等[12]用PIV測量了旋流數(shù)為0.8的徑向旋流預(yù)混火焰的流場，發(fā)現(xiàn)在受限壁面作用下，冷、熱態(tài)流場的回流區(qū)尺寸都明顯變大，且相對于開放空間火焰，受限火焰體積顯著膨脹。值得注意的是，作者使用的燃燒器出口為直壁流道，且受限燃燒腔出口存在收口頂蓋。Khalil等[13]使用旋流數(shù)為0.77的單級軸向旋流器，研究了受限壁面對冷、熱態(tài)流場的影響，噴嘴出口為漸縮流道且燃燒腔存在收口頂蓋。作者發(fā)現(xiàn)冷態(tài)條件下受限壁面拓寬回流區(qū)的徑向?qū)挾?，熱態(tài)條件下受限壁面也明顯增大回流區(qū)尺寸及回流強(qiáng)度，并且受限條件下流場的脈動速度和湍動能增加。國內(nèi)，曾青華等[14-15]實(shí)驗(yàn)研究了反向雙旋渦流器在9種受限比下的受限燃燒特性，隨后又使用數(shù)值模擬方法研究了對應(yīng)的流場結(jié)構(gòu)，得到了與Fu等[3]高度吻合的回流區(qū)變化規(guī)律，并從流場特性方面揭示了燃燒特性隨受限比變化的物理機(jī)制。

從以上論述中，可以發(fā)現(xiàn)受限壁面對一些案例有影響，但是對另一些則不然。實(shí)際上，除了旋流器幾何結(jié)構(gòu)的差別外，旋流器下游出口流道形式(漸縮、直壁或漸擴(kuò))以及受限空間出口是否設(shè)置收口頂蓋對流場都將產(chǎn)生重要影響，文獻(xiàn)[16-19]對收口頂蓋的作用進(jìn)行了廣泛的研究。Nogenmyr[12]和Khalil[13]的研究內(nèi)容相似之處在于旋流器出口都為非漸擴(kuò)流道(分別為直壁和漸縮流道)，導(dǎo)致開放空間火焰的直徑較小，且小于受限燃燒腔直徑。在受限壁面作用下，火焰體積明顯膨脹并碰觸壁面、流場回流區(qū)顯著變寬。然而他們都沒有提到或分析收口頂蓋對火焰形態(tài)和回流區(qū)變化的影響作用。

為了控制實(shí)驗(yàn)變量，減少流場的影響因素，本文在燃燒室出口不設(shè)置收口頂蓋(與文獻(xiàn)[2-5,11]的配置一致)。值得說明的是，盡管本文燃燒器頭部結(jié)構(gòu)與參考文獻(xiàn)有所不同，但本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于解決以上文獻(xiàn)中的某些分歧，并有助于深化對壁面約束影響旋渦流動規(guī)律的認(rèn)識。

1 實(shí)驗(yàn)裝置、測量手段及內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由空氣管路、燃?xì)夤苈?、旋流器試?yàn)件、排風(fēng)管道等組成，如圖1所示。螺桿式壓縮機(jī)將空氣壓縮并經(jīng)過濾器除濕除塵后存入儲氣罐，壓氣機(jī)額定排氣壓力為1.0 MPa，高壓空氣經(jīng)減壓器降壓后引入實(shí)驗(yàn)裝置?？諝饬髁客ㄟ^SevenStar質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)，精度為±2% F.S，線性度為±1% F.S，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行標(biāo)定以滿足要求。空氣在流量計(jì)下游分成兩個(gè)支路，其中一路氣體進(jìn)入固態(tài)示蹤粒子發(fā)生器攜帶粒子，另一支路上裝有閥門，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)支路的空氣流量比例，進(jìn)而控制示蹤粒子的播散濃度，示蹤粒子采用粒徑為3 μm的TiO2。熱態(tài)實(shí)驗(yàn)測量中燃料使用純度為99.9%的甲烷，由高壓氣瓶供給并通過合適量程的質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流量，隨后從燃燒器中心燃料噴頭射出形成擴(kuò)散燃燒火焰。排風(fēng)管道將充滿示蹤粒子的煙氣經(jīng)水冷換熱器冷卻和布袋除塵器過濾后排出室外，防止造成大氣污染。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

旋流器采用某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中的雙級旋流杯，如圖2所示。旋流器葉片傾角45°，按照公式(1)計(jì)算的旋流數(shù)Sn[20]為0.78。

圖2 旋流杯

(1)

式中：dh和d分別為旋流器的內(nèi)徑和外徑，分別為23 mm和45 mm，φ為葉片傾角45°。旋流器下游采用文氏管將旋流射流分為兩個(gè)部分，內(nèi)部旋流用來增強(qiáng)空氣和燃料摻混，外部旋流用來補(bǔ)燃、助燃。對于非預(yù)混燃燒方式而言，這種旋流杯是較為典型、成熟的結(jié)構(gòu)，具有一定的代表性。旋流器出口通過一圓轉(zhuǎn)方轉(zhuǎn)接段連接方形漸擴(kuò)流道，如圖3所示。漸擴(kuò)流道用來引導(dǎo)射流膨脹，并為回流區(qū)的形成提供駐定空間，漸擴(kuò)流道擴(kuò)張角為45°。為了研究受限壁面對旋渦流動的影響，在漸擴(kuò)流道下游采用方形石英玻璃罩來模擬燃燒腔，其尺寸為長×寬×高：87 mm×87 mm×105 mm。圖4為開放空間與受限空間的布局結(jié)構(gòu)圖，值得注意的是，相對于圓筒形石英玻璃罩，方形玻璃罩更適合PIV測量，因?yàn)樗苡行p少壁面對激光的折射；另外方形壁面約束也模擬了單噴嘴流場在環(huán)形燃燒室中受約束的實(shí)際情況。本文所研究的受限比(D1/D2)2等于5.5，其中D1為方形玻璃罩內(nèi)流道邊長87 mm，D2為旋流器出口方形窄通道邊長37 mm。

圖3 旋流器出口方形漸擴(kuò)流道

圖4 開放與受限空間布局結(jié)構(gòu)

1.2 2D-3C PIV

實(shí)驗(yàn)采用德國Lavision公司生產(chǎn)的2D-3C粒子圖像測速儀(PIV)來獲得旋流流場，實(shí)物圖如圖5所示。PIV系統(tǒng)包括兩個(gè)12 bit CCD相機(jī)、Nd：YAG雙腔雙脈沖激光器、同步器和控制主機(jī)。硬件系統(tǒng)的參數(shù)為：相機(jī)分辨率1 607×1 207像素(水平方向×豎直方向)，激光器發(fā)射的激光波長532 nm，單束激光最大能量200 mJ，PIV系統(tǒng)最大工作頻率15 Hz。

圖5 2D-3C PIV測量系統(tǒng)

在流場測量中，激光器產(chǎn)生厚度約為1 mm的激光片光平面(z=0)，并通過燃燒器中軸線。兩個(gè)CCD相機(jī)布置在距離激光平面約0.5 m遠(yuǎn)處，且相機(jī)軸線與激光平面法線呈30°夾角，每個(gè)相機(jī)都安裝有鏡頭角度調(diào)節(jié)器，以便在拍攝時(shí)滿足沙伊姆弗勒準(zhǔn)則：物體平面、鏡頭平面和相機(jī)成像傳感器平面相交于一條直線，這樣才能夠清晰成像，沙氏成像準(zhǔn)則如圖6所示。在本文所有工況的測量中，拍攝區(qū)域的尺寸都為146 mm×110 mm(徑向×軸向)，且關(guān)于燃燒器中軸線對稱，此時(shí)1 pixel=0.092 mm。由于錐形漸擴(kuò)段上加工了5 mm高的石英玻璃罩安裝邊無法透過激光，因此測量原點(diǎn)(0,0)設(shè)置在方形漸擴(kuò)段出口平面下游5 mm處的中軸線上，徑向?yàn)閤方向，軸向?yàn)閥方向(如圖4所示)。在測量前，預(yù)先估計(jì)流場中的最大速度，并根據(jù)“粒子速度不超過判讀區(qū)邊長的1/4”準(zhǔn)則[21]在Davis中設(shè)置雙脈沖激光時(shí)間間隔。每個(gè)工況以15 Hz的頻率拍攝200對照片進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到平均流場。采用“Stereo cross-correlation”模式，迭代方式選擇“Multi-pass (constant size)”，判讀區(qū)尺寸設(shè)置為24×24 pixels，重疊率為50%。此時(shí)，速度場的空間分辨率為1.1×1.1 mm2。

圖6 沙伊姆弗勒原理示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為深入研究旋渦流動的受限特性，本文采用2D-3C PIV來獲得旋流燃燒器的平均速度場和均方根速度場。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示，工況1是一個(gè)冷態(tài)、開放流場，可以作為基準(zhǔn)工況；工況2是受限流場，用來研究受限壁面的影響；工況3是受限條件下入口空氣流量增大的情況，可以模擬功率增大時(shí)的情況，火焰功率通過流量計(jì)算，精度為±2% F.S。實(shí)驗(yàn)在冷態(tài)和點(diǎn)火燃燒兩個(gè)條件下都進(jìn)行了測量。熱態(tài)條件下，燃料全局當(dāng)量比為0.60，在入口雷諾數(shù)增大的情況下，火焰功率從15 kW增大到35 kW。雷諾數(shù)根據(jù)燃燒器頭部幾何參數(shù)計(jì)算，并使用20 ℃條件下空氣的物性參數(shù)，特征速度根據(jù)空氣體積流量計(jì)算，特征長度為旋流器出口方形窄通道邊長37 mm。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 旋流流場的三維特征

本文利用三維PIV系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，不僅獲得了激光片光平面內(nèi)的速度分布，也獲得了旋轉(zhuǎn)切向速度分布。為了對旋流器所產(chǎn)生的三維速度場特征進(jìn)行細(xì)致地觀察，本文以case 1為例進(jìn)行分析。圖7中左圖為case 1的絕對速度云圖及流線，右圖為切向速度云圖。圖中的白線代表軸向速度Vy等于0的位置，它所包裹的區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)，黑色粗線代表錐形旋流射流的區(qū)域，討論主要集中在這兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行。根據(jù)流場云圖特征，選取了4個(gè)具有代表性的軸向位置y=5 mm，15 mm，30 mm，60 mm來分析三個(gè)速度分量沿徑向位置分布的規(guī)律，如圖8所示。

(a) 絕對速度云圖

(b) 切向速度云圖

圖7 case 1的速度云圖

圖8 不同軸向位置處工況1的速度分量沿徑向的分布曲線圖

在錐形旋流射流區(qū)域，三個(gè)方向上的速度分量都較大，旋流射流在做螺旋運(yùn)動的同時(shí)沿徑向向外擴(kuò)展。由y=5 mm處的速度分布曲線圖可知，射流的徑向分量Vx和軸向分量Vy幾乎相等，說明射流沿著旋流器下游的錐形漸擴(kuò)壁面以45°角入射到大氣環(huán)境中，射流角度與方形漸擴(kuò)段擴(kuò)張角相等，由此說明擴(kuò)張角是控制旋流出射角度及徑向?qū)挾鹊闹饕蛩?。同時(shí)可以看到，旋轉(zhuǎn)切向速度約為軸向速度的一半，已知旋流器葉片傾角也為45°，但是Vz并不等于Vy，說明維持氣流做螺旋運(yùn)動的切向旋轉(zhuǎn)動量在方形窄通道中碰撞側(cè)壁而產(chǎn)生消耗。在y=15 mm處，徑向速度分量變?yōu)樯弦晃恢锰幍囊话?，而軸向速度幾乎沒有改變。y=30 mm處的Vx幾乎減小到0，此時(shí)，旋流射流和回流區(qū)也在徑向方向上達(dá)到最寬。y=60 mm時(shí)，徑向速度分量已經(jīng)改變了方向，射流氣體在下游體積膨脹，向中心擠壓回流區(qū)，回流區(qū)尺寸也由寬變窄。

在白色曲線區(qū)域(回流區(qū))內(nèi)，由流線圖以及速度分布曲線圖可以看出，徑向速度分量Vx幾乎為0，而旋轉(zhuǎn)切向速度Vz維持在1.0 m/s左右(在中軸線處Vz為0)，證明在回流區(qū)內(nèi)依然存在螺旋運(yùn)動，且旋轉(zhuǎn)方向與外側(cè)旋流射流的旋轉(zhuǎn)方向一致，這說明外側(cè)旋流射流向回流區(qū)的切向動量傳遞是維持回流區(qū)同旋向旋轉(zhuǎn)的重要因素。回流區(qū)的形成是由于兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)射流在噴嘴中心下游位置造成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致下游氣體逆流運(yùn)動來補(bǔ)償中心負(fù)壓區(qū)所致。只要?dú)饬鞔嬖谇邢蛩俣确至?，則必然存在外徑壓強(qiáng)大而內(nèi)徑壓強(qiáng)小的壓力梯度，來平衡氣體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的離心力。由于外圍壓力接近環(huán)境壓力，當(dāng)兩者的壓差達(dá)到一定程度時(shí)，中心負(fù)壓區(qū)接近真空，從而導(dǎo)致下游氣體回流來補(bǔ)償這個(gè)真空，這就是旋流射流產(chǎn)生回流區(qū)的根本原因。回流區(qū)的逆向氣流將高溫燃?xì)獾臒崃恳约盎罨杂苫鶊F(tuán)傳遞給火焰根部未燃混合氣，而回流區(qū)內(nèi)切向旋轉(zhuǎn)動量的存在會加強(qiáng)它們之間的摻混效果，進(jìn)而起到助燃和穩(wěn)定火焰的作用。

2.2 冷態(tài)流場結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)工況表，首先測量并獲得了冷態(tài)條件下的時(shí)均場和脈動速度場。并且在開放空間和受限空間兩種結(jié)構(gòu)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。對于受限空間，石英玻璃罩邊長(87 mm)與旋流器出口方形窄通道邊長(37 mm)之比為2.35，因此受限比(面積比)為5.5。圖9展示了case 1～3的平均軸向速度Vy云圖以及流線。為了清晰顯示各工況的速度梯度，每一個(gè)工況都給出了單獨(dú)的圖例并標(biāo)出了速度范圍，圖中白色曲線代表回流區(qū)。對于開放空間工況(case 1)，錐形射流和中心回流區(qū)向下游發(fā)展時(shí)先變寬后變窄?；亓鲄^(qū)最寬處達(dá)到半徑50 mm，而射流的最寬半徑達(dá)到70 mm(由流線走勢得到)，并且兩者在同一軸向位置(y=30 mm左右)處達(dá)到最寬。由于石英玻璃罩的橫截面半邊長(43.5 mm)小于射流最寬半徑，在受限壁面的聚攏作用下(case 2)，射流軸向速度變大，從3.2 m/s增大到3.7 m/s，高速氣流貼著壁面內(nèi)側(cè)運(yùn)動，一直延展到下游接近燃燒室出口處，回流區(qū)最大逆向速度也由-2.3 m/s增大到-2.8 m/s。同時(shí)，回流區(qū)最寬半徑減小到32 mm左右，并且向下游發(fā)展時(shí)逐漸變窄，這是由于高速射流擴(kuò)壓降速擠壓回流區(qū)所致。還可以觀察到，受限空間的流場云圖不如開放空間的均勻連貫，這種情況在壁面附近尤為明顯，這是因?yàn)樵诓ＡП诿嫔习l(fā)生激光反射增大了白噪聲，導(dǎo)致速度測量出現(xiàn)誤差。另外，拍攝過程中示蹤粒子在壁面上附著導(dǎo)致視野變差也是一個(gè)重要因素。相對于小雷諾數(shù)的工況，入口空氣流量增大時(shí)(case 3)，流場結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化，而回流區(qū)負(fù)速度幾乎增大為原來的兩倍，射流軸向速度變?yōu)樵瓉淼?.6倍，可見增大入口空氣流量既會促進(jìn)正向速度也會增強(qiáng)回流強(qiáng)度。由以上討論可知，壁面約束使旋流射流的徑向擴(kuò)散運(yùn)動受到限制，而使軸向速度分量變大。流線特征也印證了這一結(jié)果。

(a) Case 1

(b) Case 2

(c) Case 3圖9 冷態(tài)工況的軸向速度Vy云圖及流線圖

圖10展示了3個(gè)工況的均方根速度場。均方根速度Vrms按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(a) Case 1

(b) Case 2

(c) Case 3圖10 冷態(tài)工況的脈動速度Vrms云圖

(2)

式中：n為拍攝到的瞬態(tài)流場的數(shù)目，Vi為瞬時(shí)速度大小，Vavg為平均速度大小。它可以用來近似代表流場的湍流程度。需要注意的是，這里均方根速度的計(jì)算只使用x和y兩個(gè)方向上的速度分量。對于開放空間工況，在方形漸擴(kuò)段出口、旋流射流進(jìn)入開放空間的位置出現(xiàn)較強(qiáng)的速度脈動，在徑向上的延展范圍為±(35～52)mm，對比平均軸向速度云圖(圖9 case 1)可知，這一區(qū)域正好從回流區(qū)邊界開始，覆蓋高速射流區(qū)并延伸到外部剪切層。中心回流區(qū)內(nèi)的氣流脈動速度維持在較低水平。當(dāng)流場受限時(shí)，主要的速度脈動出現(xiàn)在壁面附近、徑向位置±(20～35)mm區(qū)域范圍內(nèi)，也是回流區(qū)邊界所在的位置。雷諾數(shù)增大時(shí)，脈動速度的分布特征幾乎沒有改變，最大值從2.2 m/s急劇增大到5.2 m/s。

2.3 熱態(tài)流場結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測量并獲得了燃燒流場，Case 4～6的平均軸向速度Vy云圖展示在圖11中。開放空間工況(case 4)的回流區(qū)最寬半徑為50 mm，長度為100 mm左右。相對于冷態(tài)非受限工況(case 1)，case 4的回流區(qū)寬度沒有變化，這是因?yàn)榛亓鲄^(qū)寬度受錐形旋流射流的最寬半徑控制，而此值與case 1相同都為70 mm；但回流區(qū)最寬處向下游移動了20 mm左右(case 1最寬處位于y=30 mm VS. case 4最寬處位于y=50 mm)，這可能與燃燒狀態(tài)下射流軸向動量變大、射流長度變長有關(guān)(從冷態(tài)的40 mm左右延長到熱態(tài)的70 mm以上)；另一較為明顯的變化是：相對于冷態(tài)工況，熱態(tài)流場的回流區(qū)長度明顯變短，這可能是因?yàn)槿紵艧?、氣體急劇膨脹導(dǎo)致射流軸向速度迅速增大，而切向旋轉(zhuǎn)速度迅速變小導(dǎo)致的；同時(shí)高速射流氣流在下游膨脹擠壓回流區(qū)，進(jìn)而將回流區(qū)截?cái)唷τ谑芟薰r(case 5)，高速射流在壁面的聚攏作用下，射流軸向速度變大從8.7 m/s增大到9.8 m/s，高速氣流沿著壁面內(nèi)側(cè)運(yùn)動，一直延展到燃燒室下游出口處。同時(shí)，回流區(qū)最寬半徑由開放空間的50 mm減小到30 mm左右，并且回流區(qū)向下游發(fā)展時(shí)迅速變窄，直到y(tǒng)=75 mm附近，切向速度幾乎消耗殆盡，回流區(qū)在此處閉合。此外，在受限壁面作用下空氣回流量增大，逆向速度從-2.4 m/s增大到-3.5 m/s。綜上所述，受限壁面對熱態(tài)流場的影響與冷態(tài)流場一致。對于入口空氣流量增大的工況(case 6)，回流區(qū)寬度沒有改變，但長度從75 mm增大到90 mm，回流區(qū)逆向速度增大到原來的2.5倍，射流軸向速度增大到原來的1.9倍，入口雷諾數(shù)的增大不僅導(dǎo)致射流速度變大，也導(dǎo)致回流強(qiáng)度增強(qiáng)。

(a) Case 4

(b) Case 5

(c) Case 6圖11 熱態(tài)工況的軸向速度Vy云圖及流線圖

圖12展示了case 4～6的均方根速度場。對于開放空間工況(case 4)，在高速射流的內(nèi)、外兩個(gè)速度剪切層中分別出現(xiàn)較大的速度波動，而且高脈動速度區(qū)和高速射流區(qū)一樣長，都為70 mm左右。類似的結(jié)果在文獻(xiàn)[22]中也可以觀察到。當(dāng)旋流器受限時(shí)(case 5)，主要的速度脈動出現(xiàn)在燃燒室中部下游位置，這與冷態(tài)受限工況(case 2)的脈動速度出現(xiàn)在壁面附近有所不同。這可能是因?yàn)?，在壁面約束作用下，較小的燃燒空間中集聚了大量熱量，熱釋放不穩(wěn)定(或燃燒振蕩)會激發(fā)出聲學(xué)模式的壓力波動，兩者相互耦合，將原本處于速度剪切層中的速度波動傳遞到整個(gè)燃燒室中部。此外，回流區(qū)下游滯止點(diǎn)也出現(xiàn)在這一大速度脈動區(qū)域中，由此說明滯止點(diǎn)的位置是隨時(shí)間不斷變化的。當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，均方根速度的分布特征沒有明顯變化，最大值增大到低雷諾數(shù)時(shí)的兩倍以上。值得注意的是，在受限壁面(四圍壁面)的作用下，均方根速度數(shù)值并沒有明顯增大(case 1 VS 2，case 4 VS 5)，但是脈動速度的分布區(qū)域發(fā)生了重大改變。

(a) Case 4

(b) Case 5

(c) Case 6圖12 熱態(tài)工況的脈動速度Vrms云圖

3 結(jié)論

為了深入認(rèn)識旋渦流動的受限流動特性，本文使用2D-3C PIV測量了某典型非預(yù)混燃燒雙級旋流杯的冷態(tài)和熱態(tài)流場，并且在開放空間、受限空間和增大入口流量三種條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量和分析。主要結(jié)論如下：

1) 對于開放空間流場，旋流器出口漸擴(kuò)流道擴(kuò)張角是控制射流出射角度及回流區(qū)徑向?qū)挾鹊闹饕蛩亍?/p>

2) 壁面約束對流場的影響與旋流杯出口流道形狀是漸縮或漸擴(kuò)(以及擴(kuò)張角度)有關(guān)，同時(shí)也取決于受限比。在本文研究范圍內(nèi)，流場受限時(shí)回流區(qū)收縮變窄，最寬處半徑減小到32 mm左右。射流速度由3.2 m/s增大到3.7 m/s，回流區(qū)氣流逆向速度由-2.3 m/s增大到-2.8 m/s，都有所增大。

3) 相對于冷態(tài)流場，燃燒放熱使氣流急劇膨脹，導(dǎo)致噴嘴下游軸向動量變大、切向動量變小，進(jìn)而使回流區(qū)長度明顯縮短，減小到100 mm以下。同時(shí)，燃燒也增大了回流強(qiáng)度以及流場湍流度。

4) 入口雷諾數(shù)增大時(shí)，回流區(qū)寬度保持30 mm不變，長度由75 mm增長到90 mm，且射流軸向速度和回流負(fù)速度都明顯變大，流場的湍流度也明顯增強(qiáng)。