三級(jí)旋流頭部裝置末級(jí)文氏管喉道面積對(duì)出口流場(chǎng)的影響試驗(yàn)研究

李春江 彭劍勇 吳志娟 羅謙 扶春達(dá) 劉濤

摘要：文氏管對(duì)渦流器具有重要的引流作用。通過改變第III級(jí)文氏管的喉道面積大小，探究了其對(duì)三級(jí)渦流器出口流場(chǎng)的影響。應(yīng)用粒子圖像測(cè)速儀（PIV）對(duì)三頭部試驗(yàn)件的渦流器出口流場(chǎng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中間渦流器的兩個(gè)漩渦中心的徑向距離隨著第III級(jí)文氏管喉道面積的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。相鄰三級(jí)渦流器出口流場(chǎng)會(huì)疊加，致使中間渦流器的回流區(qū)被壓縮，回流區(qū)面積隨著第III級(jí)文氏管喉道面積的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，方案3的三級(jí)渦流器出口流場(chǎng)的速度梯度大，可實(shí)現(xiàn)燃燒室油氣高效摻混，更有助于燃燒室點(diǎn)火、聯(lián)焰和燃燒。

關(guān)鍵詞：第III級(jí)文氏管；斜切孔式；三級(jí)渦流器；粒子圖像測(cè)速儀；出口流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：V263文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.004

渦流器作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室頭部的重要部件之一，可實(shí)現(xiàn)燃油的二次霧化，使得油氣混合更加均勻，有助于油霧燃燒更加充分，具有優(yōu)良的燃油霧化和流場(chǎng)氣動(dòng)特性，對(duì)燃燒室性能有著很大的影響[1-6]。

為探究渦流器的特性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)渦流器開展了一系列的研究。Ateshkadi等[7-8]研究了有、無文氏管（Venturi tube）對(duì)渦流器出口流場(chǎng)的影響，使用平面激光誘導(dǎo)熒光儀（PLLIF）進(jìn)行出口流場(chǎng)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)渦流器的文氏管具有燃油預(yù)膜的作用，可以引導(dǎo)氣流流動(dòng)方向和限制不同旋流混合程度，有效控制油霧的分布區(qū)域，使油霧穩(wěn)定在回流區(qū)[9]、油霧分布更加均勻，提高了燃油霧化質(zhì)量。當(dāng)渦流器無文氏管時(shí)，會(huì)導(dǎo)致油霧分布范圍變廣、區(qū)域變寬、霧錐不規(guī)則，從而使得燃油霧化質(zhì)量變差。Mongia等[10]開展了文氏管對(duì)渦流器出口油霧分布的影響研究，發(fā)現(xiàn)由于文氏管的存在，渦流器出口流場(chǎng)的回流區(qū)受到制約，可以穩(wěn)定地維持在文氏管喉道下游處，可控制油霧形成典型的錐狀分布，文氏管對(duì)渦流器實(shí)現(xiàn)更好地燃油霧化起到了關(guān)鍵作用。

Jeng等[11]開展了空氣溫度對(duì)反旋CFM56旋流杯的水霧出口流場(chǎng)的影響研究，使用PUPA技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著空氣溫度的增加，水霧液滴的平均速度和脈動(dòng)速度均方根值也會(huì)增加，在旋流杯出口處增加的幅度更明顯。彭劍勇等[12]研究了文氏管長(zhǎng)度對(duì)渦流器出口流場(chǎng)的影響，使用粒子圖像測(cè)速儀（PIV）[13]測(cè)量了雙級(jí)渦流器的出口流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)文氏管長(zhǎng)度的變化會(huì)導(dǎo)致渦心發(fā)生徑向位移，其距離隨著文氏管長(zhǎng)度的增加而增大，中心回流區(qū)的面積也隨之增大。由此可見，在渦流器上，文氏管是控制其出口流場(chǎng)和油霧分布的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)渦流器的性能有著極大的影響。

Fanaca等[14]研究發(fā)現(xiàn)高速射流在單頭部燃燒室內(nèi)是壁面射流，而在三頭部燃燒室內(nèi)是自由射流，所以其流場(chǎng)特性不一。Kao等[15-17]研究發(fā)現(xiàn)多頭部燃燒室相鄰旋流器出口流場(chǎng)間存在相互干擾，使得旋流器出口回流區(qū)呈現(xiàn)周期性分布。多個(gè)渦流器流場(chǎng)間的相互作用，會(huì)明顯影響整體出口流場(chǎng)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要開展了文氏管對(duì)單個(gè)渦流器出口流場(chǎng)的影響研究，并未對(duì)三級(jí)渦流器文氏管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多個(gè)渦流器相互作用的量化研究。

本文開展了第III級(jí)文氏管喉道面積對(duì)三級(jí)徑向渦流器出口流場(chǎng)影響的試驗(yàn)研究，使用PIV測(cè)量渦流器出口流場(chǎng)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提供了一定的數(shù)據(jù)支持。

1試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)件示意圖由圖1所示。該試驗(yàn)件主要由三級(jí)渦流器、噴嘴套、離心噴嘴和夾具等組成。本試驗(yàn)所用三級(jí)渦流器的I級(jí)、II級(jí)和III級(jí)渦流器全部為均布斜切孔式渦流器。與葉片式渦流器相比，它具有制造成本低、加工難度小和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于工程實(shí)際有著廣闊的應(yīng)用前景。三個(gè)三級(jí)渦流器并排放置，其出口限制域在笛卡兒坐標(biāo)系的XOZ平面上，PIV所測(cè)量的截面為XOY平面，并且坐標(biāo)系原點(diǎn)指定為中間三級(jí)渦流器的出口中心。

表1給出了5種試驗(yàn)方案及相應(yīng)參數(shù)，三級(jí)渦流器出口套筒直徑為D；第III級(jí)文氏管直徑為D1，其喉道面積S =π（D1/2）2。試驗(yàn)件的出口為敞開狀態(tài)。

1.2測(cè)試方法

試驗(yàn)所用測(cè)試方法為采用PIV測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試，PIV測(cè)量?jī)x主要由雙腔激光器、鏡頭組、CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)等組成，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)所用的示蹤粒子為植物油，經(jīng)粒子發(fā)生器噴入渦流器夾具內(nèi)，粒子粒徑最小可達(dá)到1μm。

2結(jié)果與分析

在試驗(yàn)環(huán)境為常溫、常壓條件下，試驗(yàn)件進(jìn)、出口壓力損失為3.0%，逐漸增加第III級(jí)文氏管喉道面積，其他條件不變，通過使用PIV測(cè)量?jī)x，對(duì)三個(gè)三級(jí)渦流器的出口流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

圖3給出了三個(gè)三級(jí)渦流器出口流場(chǎng)的軸向速度矢量及分布云圖（黑色曲線表示軸向速度為零，曲線所圍區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)），從圖中可以看出，對(duì)于方案1～方案5，三個(gè)三級(jí)渦流器的出口所形成的各個(gè)回流區(qū)相對(duì)飽滿，但是，每個(gè)回流區(qū)大小不一。隨著第III級(jí)文氏管喉道面積的增加，三個(gè)三級(jí)渦流器的回流區(qū)大小和速度發(fā)生有規(guī)律的變化：中間回流區(qū)面積先逐漸變小后逐漸變大，回流速度也隨之先逐漸變小后逐漸變大；兩側(cè)回流區(qū)先逐漸變大后逐漸變小，并往側(cè)壁方向偏移，回流速度也隨之先逐漸變小后逐漸變大。

圖4給出了中間渦流器漩渦中心徑向距離隨第III級(jí)文氏管喉道面積變化的規(guī)律，漩渦中心處的速度為零，結(jié)合參考文獻(xiàn)[12]的研究?jī)?nèi)容，從圖4中可以看出，隨著第III級(jí)文氏管喉道面積的增加，漩渦中心的軸向位置基本都保持在距離渦流器出口1.3Y/D處，漩渦中心的徑向距離從44.20mm減少到36.64mm，再增加到52.21mm，隨著第III級(jí)文氏管喉道面積的增加，漩渦中心的徑向距離先增加后減少再增加。

研究表明，第III級(jí)文氏管喉道面積決定了第二、三級(jí)渦流器出口面積大小，當(dāng)?shù)贗II級(jí)文氏管喉道面積逐漸增加，第二級(jí)渦流器出口面積逐漸增加，第三級(jí)渦流器出口面積逐漸減小。在進(jìn)出口壓差一定的條件下，第二級(jí)渦流器出口氣流速度逐漸減小，流量逐漸增加，第三級(jí)渦流器與之相反；進(jìn)而二級(jí)旋流切向動(dòng)量對(duì)三級(jí)旋流切向動(dòng)量削弱先減小后增大，此時(shí)旋流切向動(dòng)量衰減速度先變慢后變快，下游逆壓梯度恢復(fù)先變緩后變急，使得對(duì)應(yīng)位置的軸向逆壓先變小后變大。外加渦流器出口限制域側(cè)壁附避作用的影響，會(huì)形成壁面射流[18]，相鄰渦流器的射流間會(huì)有引射作用相互吸引[19-20]，所以導(dǎo)致三個(gè)渦流器的回流區(qū)大小變化不一致。

圖5給出了渦流器出口限制域中心截面上不同軸向位置的軸向速度（單位為m/s）分布，不同軸向位置分別為距離渦流器出口0.5Y/D、1.0Y/D、1.5Y/D、2.0Y/D、2.5Y/D。從圖中可以看出，隨著第III級(jí)文氏管喉道面積增加，三個(gè)渦流器回流區(qū)速度絕對(duì)值先減小后增大；在0.5Y/D處，中間渦流器絕對(duì)峰值為3.41m/s，中間渦流器和兩側(cè)渦流器間存在角回流區(qū)，回流速度絕對(duì)峰值為1.7m/s；在1.0Y/D、1.5Y/D、2.0Y/D、2.5Y/D處，中間渦流器回流速度絕對(duì)峰值分別為5.69m/s、4.89m/s、4.32m/s、2.77m/s，中間渦流器和兩側(cè)渦流器間角回流區(qū)消失。在不同軸向位置處，中間渦流器和兩側(cè)渦流器的回流速度峰值呈現(xiàn)明顯不一致的對(duì)稱分布，這很好地驗(yàn)證了三個(gè)渦流器回流區(qū)大小變化不一致的現(xiàn)象解釋。

圖6給出了渦流器出口限制域中心截面上不同軸向位置的徑向速度（單位為m/s）分布，不同軸向位置分別為距離渦流器出口0.5Y/D、1.0Y/D、1.5Y/D、2.0Y/D、2.5Y/D，從圖中可以看出，不同軸向位置處，徑向速度存在明顯的峰值。研究表明，對(duì)于方案3，在漩渦中心軸向位置之前（0.5Y/D、1.0Y/D）的徑向流動(dòng)，徑向速度絕對(duì)峰值較高，有利于回流區(qū)的高溫燃?xì)饪焖倥c新鮮油氣混合，有助于燃油霧化和蒸發(fā)；漩渦中心軸向位置之后（1.5Y/D、2.0Y/D、2.5Y/D）的徑向流動(dòng)和軸向流動(dòng)的疊加。同時(shí)，有利于高溫燃?xì)獗痪砦牖亓鲄^(qū)，有助于火焰筒主燃區(qū)和摻混區(qū)的燃燒。

3結(jié)論

本文對(duì)三級(jí)渦流器出口流場(chǎng)以及相鄰渦流器流場(chǎng)間的相互作用開展試驗(yàn)研究，研究了第III級(jí)文氏管喉道面積對(duì)三級(jí)渦流器出口流場(chǎng)的影響，可以得到以下結(jié)論。

（1）隨著第III級(jí)文氏管喉道面積的增加，三個(gè)三級(jí)渦流器的回流區(qū)大小和速度發(fā)生有規(guī)律的變化，呈現(xiàn)對(duì)稱分布，中間回流區(qū)先變小后變大，回流速度也隨之先變大后變??；兩側(cè)回流區(qū)先變大后變小，并往側(cè)壁方向偏移，回流速度也隨之先變小后變大。

（2）隨著第III級(jí)文氏管喉道面積的增加，所有渦流器的漩渦中心的軸向位置基本不變，中間渦流器兩個(gè)漩渦中心的徑向距離呈現(xiàn)先逐漸減小后逐漸增大的變化趨勢(shì)，在極小值處，相鄰渦流器之間的干擾較小，三個(gè)回流區(qū)大小飽滿均勻，三個(gè)三級(jí)渦流器出口流場(chǎng)具有一致性。

（3）航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒內(nèi)流場(chǎng)的軸向和徑向速度梯度大，可實(shí)現(xiàn)燃燒室油氣高效摻混，使得燃燒室點(diǎn)火、聯(lián)焰更加容易。綜合分析，方案3的渦流器性能更好，可進(jìn)行工程應(yīng)用，其出口流場(chǎng)速度梯度大，有利于高溫燃?xì)獗痪砦牖亓鲄^(qū)，并快速與新鮮油氣混合，有助于燃油霧化和蒸發(fā)以及主燃區(qū)和摻混區(qū)的燃燒。

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Experimental Investigation on Effect of Terminal Venturi Tube Throat Area on Outlet Flow Field in Triple Swirl Head Device

Li Chunjiang，Peng Jianyong，Wu Zhijuan，Luo Qian，F(xiàn)u Chunda，Liu Tao AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China

Abstract： Venturi has an important drainage effect on the swirler. By changing the throat area of third-stage venturi， its influence on the outlet flow field of three-stage swirler is researched. Particle Image Velocimetry （PIV） is used to analyze the outlet flow field of the swirler of the three head test piece. It is found that the radial distance between the two vortex centers of the middle swirler first decreases and then increases with the increase of the throat area of the third-stage venturi. The flow field at the outlet of the adjacent three-stage swirler will be superimposed， resulting in the compression of the reflux area of the intermediate swirler. The area of the reflux area first decreases and then increases with the increase of the throat area of the third-stage venturi. The velocity gradient of the outlet flow field of the three-stage swirler in scheme 3 becomes larger， which can realize the efficient mixing of oil and gas in the combustion chamber， and is more conducive to the ignition， flame combination and combustion of the combustion chamber.

Key Words： third-stage venturi； chamfered hole type； three-stage swirler； PIV； outlet flow field