環(huán)形燃燒室模型試驗(yàn)件冷態(tài)流場(chǎng)測(cè)量調(diào)試試驗(yàn)研究

劉 濤，劉 沖，盧克乾，楊 敏，黃 菁

(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南株洲 412002)

1 引言

燃燒室的設(shè)計(jì)好壞直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，設(shè)計(jì)出一種燃燒效率高、流阻低、燃燒穩(wěn)定、溫度分布合理及壽命長(zhǎng)的高性能燃燒室，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一項(xiàng)十分的重要任務(wù)[1]。而正確認(rèn)識(shí)燃燒室內(nèi)部氣流結(jié)構(gòu)，特別是火焰筒內(nèi)部速度場(chǎng)的分布與變化規(guī)律，對(duì)其內(nèi)部氣流壓力分布、燃油霧化與摻混、頭部燃燒組織、出口溫度分布及燃燒性能等方面的改善有著很強(qiáng)的指導(dǎo)作用，同時(shí)也是研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)。

由于燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜和內(nèi)部空間狹小，使得其內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量極其困難。人們最初主要依靠熱線風(fēng)速儀和皮托管[2]等接觸式測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)流場(chǎng)有一定干擾且測(cè)量精度不高，后來(lái)發(fā)展的LDV、PDPA[3-5]等激光測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量，對(duì)流場(chǎng)沒有干擾且測(cè)量精度也得到很大提高。然而上述測(cè)量方法均為單點(diǎn)測(cè)量，對(duì)于燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量而言還存在著很大的缺陷和不足，無(wú)法捕捉強(qiáng)湍流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，且存在較大失真。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)及圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，PIV技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸、瞬態(tài)、全流場(chǎng)的測(cè)量，并逐漸成為燃燒室內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量的主要手段。文獻(xiàn)[6]～[14]采用PIV 對(duì)單頭部矩形燃燒室模型試驗(yàn)件冷態(tài)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并獲得了有益的流場(chǎng)信息。文獻(xiàn)[15]～[19]運(yùn)用PIV對(duì)單頭部矩形燃燒室模型試驗(yàn)件冷熱態(tài)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量研究，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)構(gòu)大致相似。張俊等[20]在高溫高壓條件下，采用PIV 對(duì)單頭部矩形燃燒室模型試驗(yàn)件內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，獲得了接近燃燒室真實(shí)工況下的流場(chǎng)特征。雖然以上研究均獲得了大量的有益流場(chǎng)信息，但其均局限于環(huán)形燃燒室單頭部矩形模型試驗(yàn)件的流場(chǎng)測(cè)量研究，對(duì)于燃燒室頭部燃燒組織和出口溫度分布有著重要影響的多頭部流場(chǎng)測(cè)量研究還鮮有報(bào)道。Kao 等[21]試驗(yàn)研究了三頭部和五頭部矩形模型燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并考察了中間頭部伸出3.2 mm時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化。其研究顯示，頭部數(shù)量和排列方式對(duì)流場(chǎng)均有顯著影響，這也表明有必要在更加接近真實(shí)的燃燒室模型試驗(yàn)件上開展流場(chǎng)研究。但目前為了進(jìn)行較好的光路布置并獲得較好的測(cè)量效果，燃燒室PIV 流場(chǎng)測(cè)量研究均基于矩形結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，無(wú)法獲得在真實(shí)曲率效應(yīng)影響下的單個(gè)頭部流場(chǎng)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)、相鄰頭部之間的相互作用特性及整個(gè)環(huán)形流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)也無(wú)法消除兩側(cè)壁面對(duì)流場(chǎng)的不利影響。為此，本文設(shè)計(jì)了環(huán)形燃燒室模型試驗(yàn)件，采用PIV 對(duì)其內(nèi)部冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量調(diào)試，從試驗(yàn)角度進(jìn)行探索和嘗試，重點(diǎn)闡述測(cè)量調(diào)試的過(guò)程、遇到的問(wèn)題及解決措施，以便為相關(guān)測(cè)量工作的開展提供參考和借鑒。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與調(diào)試方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of experiment system

試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)主要由PIV測(cè)量系統(tǒng)、試驗(yàn)件、氣源等組成。其中PIV測(cè)量系統(tǒng)由Lavision公司提供，主要由計(jì)算機(jī)、同步器、激光器、導(dǎo)光臂、激光發(fā)射端、CCD相機(jī)、圓偏振鏡、濾光鏡、可變視場(chǎng)透鏡、示蹤粒子發(fā)生器等組成，其測(cè)量精度可達(dá)1%。試驗(yàn)時(shí)，將經(jīng)過(guò)過(guò)濾、干燥后的壓縮空氣分出一路先進(jìn)入示蹤粒子發(fā)生器，攜帶示蹤粒子后與主氣流混合再進(jìn)入試驗(yàn)件。本次試驗(yàn)采用橄欖油作為示蹤粒子，霧化后粒徑2～5 μm。

本文設(shè)計(jì)的環(huán)形燃燒室模型試驗(yàn)件由主氣流進(jìn)氣段、示蹤粒子進(jìn)氣段、整流段、穩(wěn)壓段、可旋轉(zhuǎn)裝置、渦流器、環(huán)形火焰筒等組成(圖2)。其中，渦流器為雙級(jí)旋流器，一級(jí)為斜切式，二級(jí)為徑向式。環(huán)形火焰筒由兩個(gè)透明且同軸圓環(huán)狀的內(nèi)環(huán)和外環(huán)有機(jī)玻璃組成，火焰筒在z軸方向長(zhǎng)度為100 mm，其內(nèi)環(huán)和外環(huán)所形成的腔高與某型燃燒室火焰筒頭部腔高一致。為便于光路暢通和激光及時(shí)透射出試驗(yàn)件，火焰筒采用了透光材質(zhì)并鍍有增透膜。本次調(diào)試環(huán)形試驗(yàn)件共有18 個(gè)頭部?？紤]到主燃孔和摻混孔等孔的存在會(huì)對(duì)測(cè)量光路造成散射和折射等不利影響，因此本次研究暫不考慮主燃孔和摻混孔等結(jié)構(gòu)。需要說(shuō)明的是，由于本次模型燃燒室在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，使得模型燃燒室流場(chǎng)與實(shí)際燃燒室流場(chǎng)可能存在一定差異，但至少可以保證靠近頭部的流場(chǎng)一致，并通過(guò)測(cè)得的流場(chǎng)驗(yàn)證和優(yōu)化頭部設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)渦流器設(shè)計(jì)和加工一致性等。

圖2 試驗(yàn)件示意圖Fig.2 Structure of experiment segment

考慮到試驗(yàn)時(shí)背景光較強(qiáng)，在CCD相機(jī)鏡頭前加裝了一枚532±5 nm的濾光鏡。調(diào)試時(shí)，由于相機(jī)視場(chǎng)變化范圍較大(從火焰筒腔高變化到火焰筒外徑)，在CCD 相機(jī)前加裝了一個(gè)可變視場(chǎng)透鏡。此外，為便于調(diào)試，試驗(yàn)件設(shè)計(jì)成了可旋轉(zhuǎn)形式。

2.2 調(diào)試方法

為在自模區(qū)工況下進(jìn)行調(diào)試，首先對(duì)環(huán)形燃燒室中某一單個(gè)頭部縱截面(過(guò)渦流器中心的xOz截面)流場(chǎng)在不同氣壓點(diǎn)條件下進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，在進(jìn)出口壓差為500 Pa時(shí)流動(dòng)就已進(jìn)入自模區(qū)，但考慮到在較大氣壓點(diǎn)條件下試驗(yàn)需要較大的示蹤粒子量，因此選取壓降1 000 Pa 作為調(diào)試工況。試驗(yàn)所用相機(jī)的分辨率為2 048 pix×2 048 pix，每一次測(cè)量相機(jī)均采集300 幀。激光器采用Nd:YAG 雙脈沖激光器，單脈沖能量最大為120 mJ。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，調(diào)試時(shí)的跨幀時(shí)間及查問(wèn)域大小設(shè)置根據(jù)被測(cè)對(duì)象視場(chǎng)大小及速度范圍進(jìn)行調(diào)整，以確保每個(gè)查問(wèn)域內(nèi)的示蹤粒子位移量為查問(wèn)邊長(zhǎng)的1/4左右，且每個(gè)查問(wèn)域內(nèi)示蹤粒子數(shù)量在6～8個(gè)。具體測(cè)量方案見表1。依據(jù)實(shí)際情況，且為減少調(diào)試工作量，調(diào)試時(shí)按照單個(gè)頭部、兩個(gè)頭部、環(huán)形頭部、半環(huán)頭部、六個(gè)頭部順序進(jìn)行調(diào)試。

表1 測(cè)量方案Table 1 Measurement scheme

3 調(diào)試結(jié)果與分析

3.1 單個(gè)頭部流場(chǎng)測(cè)量

圖3 環(huán)形燃燒室中單個(gè)頭部流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.3 Test results of single head with/withou a polarizer in annular combustor

對(duì)環(huán)形燃燒室中單個(gè)頭部縱截面流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，激光照射在渦流器出口表面會(huì)形成強(qiáng)烈的反射光，照亮了測(cè)量截面以外的流場(chǎng)區(qū)域，導(dǎo)致相機(jī)無(wú)法較好地識(shí)別測(cè)量截面中的示蹤粒子。為此，調(diào)試時(shí)在鏡頭前加裝了圓偏振鏡。圖3示出了加裝圓偏振鏡前后所獲得的環(huán)形燃燒室中單個(gè)頭部流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。圖中，橫、縱坐標(biāo)分別表示在試驗(yàn)件z軸和x軸方向上的測(cè)量區(qū)域(下文類似)。從圖中可以看出，未加裝圓偏振鏡時(shí)，靠近頭部的流場(chǎng)沒有獲得較好測(cè)量，存在較大干擾信號(hào)。加裝圓偏振鏡后，渦流器出口表面的反射光被很好地削弱，靠近頭部的流場(chǎng)得到了較好測(cè)量，干擾信號(hào)明顯降低，且在頭部上下兩個(gè)拐角處能清晰看到有角渦存在。測(cè)量得以明顯改善的原因在于，激光在壁面產(chǎn)生的反射光為偏振光，而示蹤粒子散射光為非偏振米散射光，試驗(yàn)時(shí)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓偏振鏡使壁面反射光降低到最小程度，而此時(shí)示蹤粒子散射光仍然相對(duì)較強(qiáng)，能夠很好地滿足試驗(yàn)需求。另外，在相機(jī)所處視角處，火焰筒弧形壁面會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的柱面透鏡效應(yīng)，使待測(cè)截面局部出現(xiàn)離焦現(xiàn)象，試驗(yàn)時(shí)可通過(guò)適當(dāng)減小光圈實(shí)現(xiàn)較好的聚焦，此做法可能會(huì)使測(cè)量精度略有降低，但對(duì)于整體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)而言在可接受范圍內(nèi)。

圖3(b)流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果展示了旋流燃燒室頭部流場(chǎng)典型結(jié)構(gòu)特征，上下兩側(cè)為較強(qiáng)的兩股射流，在渦流器出口形成了較大的回流區(qū)，并伴有上下兩個(gè)角渦。由此可看出，對(duì)環(huán)形燃燒室中單個(gè)頭部縱截面流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，可以獲得單個(gè)頭部流場(chǎng)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

3.2 兩個(gè)頭部流場(chǎng)測(cè)量

為獲得環(huán)形燃燒室中兩個(gè)相鄰頭部縱截面(平行于xOz截面)流場(chǎng)之間的相互作用特性，使片狀激光平面同時(shí)過(guò)兩個(gè)頭部中心(渦流器中心)，調(diào)節(jié)可變視場(chǎng)透鏡焦距使視場(chǎng)大小為兩個(gè)頭部區(qū)域。經(jīng)過(guò)標(biāo)定，兩個(gè)頭部測(cè)量結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，兩個(gè)頭部具有相似的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在相鄰射流主體處，兩者相互交匯并融為一體向下游流動(dòng)，在渦流器出口處均形成了較大的回流區(qū)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件，可以獲得環(huán)形燃燒室所有縱截面流場(chǎng)的相互作用情況。圖5為距渦流器出口15 mm處z軸方向速度沿火焰筒周向的分布，從圖中可清晰看出各個(gè)頭部縱截面速度分布的差異和相互作用特性，可為燃燒室聯(lián)焰、頭部燃燒組織的優(yōu)化和改進(jìn)及渦流器一致性檢驗(yàn)提供有益的指導(dǎo)信息。

圖4 環(huán)形燃燒室中過(guò)兩個(gè)渦流器中心的縱截面(xOz)流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.4 Test results of flow field for two heads in xOz plane cross the center of two swirlers in annular combustor

圖5 環(huán)形燃燒室中距渦流器出口15 mm處z軸方向速度沿火焰筒周向的分布Fig.5 Velocity distribution of z-component along the circumference of liner at 15 mm distance from the swirler exit in annular combustor

3.3 橫截面流場(chǎng)測(cè)量

為了解橫截面流場(chǎng)信息，將激光發(fā)射端和相機(jī)在原有布局的基礎(chǔ)上水平旋轉(zhuǎn)90°，使片狀激光平行于xOy截面并距渦流器出口15 mm 處橫切所有頭部流場(chǎng)，此時(shí)相機(jī)仍然垂直于片狀激光面布置。調(diào)節(jié)可變視場(chǎng)透鏡焦距，使視場(chǎng)大小適于環(huán)形燃燒室所有頭部流場(chǎng)區(qū)域。此時(shí)光路布置為片狀激光垂直穿過(guò)火焰筒弧形壁面，而相機(jī)采集的光線傳輸時(shí)未穿過(guò)任何壁面，因此成像時(shí)不會(huì)產(chǎn)生光學(xué)畸變。經(jīng)過(guò)標(biāo)定，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出，環(huán)形燃燒室橫截面流場(chǎng)(尤其是左半環(huán))沒有得到較好的測(cè)量。這是由于激光發(fā)射端在環(huán)形燃燒室右側(cè)，當(dāng)激光從右側(cè)傳輸?shù)阶蟀氕h(huán)頭部時(shí)要穿過(guò)3 層壁面，導(dǎo)致激光能量嚴(yán)重衰減。另外，對(duì)于PIV 測(cè)量，片狀激光厚度(光腰厚度)為1 mm左右較為合適，但由于左右兩側(cè)的待測(cè)區(qū)域水平距離較大(404 mm)，使激光光腰厚度在如此大的水平距離上保持1 mm非常困難。此外，由于相機(jī)像素沒有增加，而視場(chǎng)相比單個(gè)頭部增加了16 倍，導(dǎo)致測(cè)量分辨率大大降低。

圖6 距渦流器出口15 mm處環(huán)形頭部橫截面流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.6 Test results of flow field for annular combustor at 15 mm distance from the swirler exit

調(diào)整試驗(yàn)件與相機(jī)的相對(duì)位置，調(diào)節(jié)可變視場(chǎng)透鏡焦距使環(huán)形燃燒室右半環(huán)頭部流場(chǎng)處于相機(jī)視場(chǎng)中，測(cè)量半環(huán)橫截面流場(chǎng)，結(jié)果如圖7所示。相比環(huán)形流場(chǎng)測(cè)量，半環(huán)流場(chǎng)測(cè)量不存在激光衰減和光腰變厚等問(wèn)題，但是由于上下兩部分流場(chǎng)被試驗(yàn)件遮擋，使相應(yīng)位置處示蹤粒子的相關(guān)性變差，也沒能得到較好的測(cè)量，測(cè)量分辨率仍然相對(duì)較低。

圖7 距渦流器出口15 mm處半環(huán)形頭部橫截面流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.7 Test results of flow field for half annular at 15 mm distance from the swirler exit in annular combustor

為提高測(cè)量分辨率而又盡可能多地測(cè)量橫截面頭部流場(chǎng)，決定對(duì)六個(gè)頭部橫截面流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過(guò)調(diào)整視場(chǎng)、對(duì)焦、標(biāo)定，獲得的測(cè)量結(jié)果如圖8所示。可以看出，由于不存在上述影響測(cè)量的問(wèn)題，六頭部橫截面流場(chǎng)測(cè)量獲得了較好的測(cè)量效果，較好地測(cè)量出了每個(gè)頭部橫截面的旋轉(zhuǎn)射流。此外，通過(guò)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件，可以獲得環(huán)形燃燒室整個(gè)橫截面的流場(chǎng)結(jié)果，如圖9所示。從圖中可以看出，在真實(shí)曲率效應(yīng)影響下的相鄰兩個(gè)頭部之間的相互作用特性及整個(gè)環(huán)形流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征，可為燃燒室頭部燃燒組織和出口溫度分布優(yōu)化及調(diào)控提供重要指導(dǎo)信息。

圖8 距渦流器出口15 mm處六個(gè)頭部橫截面場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.8 Test results of flow field for six heads at 15 mm distance from the swirler exit in annular combustor

圖9 通過(guò)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件獲得的距渦流器出口15 mm處環(huán)形頭部橫截面流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.9 Flow field of annular combustor at 15 mm distance from the swirler exit aquired through rotating the experiment segment

4 結(jié)論

運(yùn)用PIV，對(duì)設(shè)計(jì)的環(huán)形燃燒室模型試驗(yàn)件的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量調(diào)試，主要得到以下結(jié)論：

(1)環(huán)形燃燒室模型試驗(yàn)件火焰筒采用透光材質(zhì)設(shè)計(jì)并配合增透處理，能夠很好地將激光及時(shí)透射出試驗(yàn)件，有利于流場(chǎng)測(cè)量。

(2)PIV 測(cè)量系統(tǒng)中，在CCD 相機(jī)鏡頭前加裝圓偏振鏡能夠很好地削弱試驗(yàn)件表面強(qiáng)烈的反射光，而加裝可變視場(chǎng)透鏡能夠很好地滿足不同頭部流場(chǎng)測(cè)量時(shí)視場(chǎng)變化的需求。

(3)環(huán)形燃燒室中單個(gè)頭部和兩個(gè)頭部的縱截面流場(chǎng)以及六個(gè)頭部橫截面流場(chǎng)均獲得了較好的測(cè)量，而環(huán)形燃燒室橫截面流場(chǎng)因激光衰減、光腰厚度增加、測(cè)量分辨率降低等因素，半環(huán)形流場(chǎng)因上下兩個(gè)區(qū)域示蹤粒子的相關(guān)性較差，都沒能得到較好的測(cè)量。通過(guò)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件的方式可實(shí)現(xiàn)環(huán)形燃燒室橫截面流場(chǎng)測(cè)量，較好地測(cè)得真實(shí)曲率效應(yīng)影響下相鄰頭部流場(chǎng)之間的相互作用特性和整個(gè)環(huán)形流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征。