示踪粒子对双级旋流燃烧室流场影响分析

于 雷，王成军，陈贺贺，申力鑫，刘爱虢

(沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点试验室，沈阳 110136)

示踪粒子对双级旋流燃烧室流场影响分析

于 雷，王成军，陈贺贺，申力鑫，刘爱虢

(沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点试验室，沈阳 110136)

示踪粒子特性对于PIV试验研究至关重要，进而影响流场分布的准确性。通过建立示踪粒子运动的数学模型，分析了4种示踪粒子跟随性，确定出比较适合模拟流场的示踪粒子，并在双级径向旋流燃烧室中进行了PIV试验验证与分析。结果表明：通过理论计算，4种粒子均满足流场跟随性的要求，面粉跟随性好于其它3种示踪粒子；通过燃烧室头部PIV流场试验，显示出4种示踪粒子均满足双级旋流流场跟随性要求和流场流动特点，但4种示踪粒子跟随性略有差别，面粉要好于其它3种示踪粒子。通过理论计算与试验的对比，简化的BBO方程建立数学模型能够较好反映出双级旋流燃烧室头部流场的跟随性。

示踪粒子；跟随性；PIV；双级旋流器；燃烧室；流场模拟

为满足现代航空发动机高温升要求，燃烧室整体油气比增大，主燃区的进气量相应增大[1]，相应的燃烧流场变得复杂。为扩大燃烧室的稳定工作范围，改善燃油雾化质量，燃烧室旋流器逐渐发展为双级和三级[2]。其中，双级径向旋流燃烧室是实现高温升要求的一种形式，其中一级旋流器用以提高燃油气动雾化质量；二级旋流器主要作用是在燃烧室头部形成充足的回流区,以稳定火焰，实现燃烧室的稳定工作[3]。PIV技术能够在不干扰流场的情况下，获得整个瞬时以及时均的速度场，并且可以进一步得到涡量场等参数，很快便在流场测量中获得了广泛应用。其综合了单点测量和流动显示技术的优点，既具有高精度和高分辨率，又能够获得平面流场显示的整体结构、瞬态以及平均图。PIV的测量精度取决于粒子的光散射性、跟随性、粒子在空间的分布浓度与均匀程度、激光器和光学系统的性能和影像的处理方式[4]。

示踪粒子特性是所有PIV试验研究中的关键问题，由于PIV技术依靠具有散光性、跟随性的示踪粒子运动来显示流场流动情况，通过计算流场中各示踪粒子速度，从而获得整个流场的速度信息。实际上PIV试验得到的是示踪粒子的流场，由此而言，选择示踪粒子是否适合被测流体，将在很大程度上影响流场的测量精度。Melling A等[5]讨论了球形粒子阻力的计算方法，给出了不同大小、不同种类粒子在紊流中的频率响应特性，介绍了已经在流体中使用过的粒子及其特性，并且对比了液体、固体示踪粒子的优缺点。

目前，跟随性研究主要集中的是理论分析与数值计算，如，李恩邦等[6-7]利用量纲分析法研究全场光学测量示踪粒子的跟随性，得出了粒子跟随性的无量纲表达式，并对湍流中粒子运动进行数值计算。舒玮[8]通过对粒子运动的BBO(Basset-Boussinesq-Oseen)方程做了适当变换，再应用Fourier积分变换求出粒子跟随性问题的精确解，得出影响粒子跟随性的关键影响因素是粒径dp和湍流的频率ω，并估算出湍流的高频分量，计算结果与Mazumder[9]实验值相符合。沈钧涛等[10]研究了球形粒子在相对雷诺数很小均匀流场中跟随性问题，分析了粒子跟随性对外力、初始条件和流场性质的依赖关系；在均匀湍流场中，分析了不同密度比和扰动频率对跟随性的影响。阮彩群等[11]利用简化的粒子运动方程，得出跟随时间与速度比之间的关系，并对示踪粒子MgCO3跟随性进行计算，确定其满足作示踪粒子的要求，并与实验结果吻合较好。

国内外关于双级旋流燃烧室流场已经进行了许多研究，EI-Kady A.M.等[12]利用PIV试验研究了斜切径向旋流器模型燃烧室下游流场，给出了不同主燃孔轴向位置和流量对燃烧室内流场、回流区以及污染特性的影响；Giridharan M.G等[13]基于CFD方法与实验方法对CFM56发动机旋流杯火焰筒头部流场进行了计算与分析，所得结果与实验数据吻合较好；Archer等[14]利用PIV技术试验研究双级轴向旋流器下游管内或管外冷态或燃烧三维流场，研究结果表明燃烧对管内与管外流动特性影响不太相同，而在燃烧情况下管内流动时形成的回流区尺寸要比管外流动略小；文献[15]基于PIV技术试验研究双级轴向旋流器下游煤油油雾冷态及其燃烧流场，给出了旋流叶片安装角对油雾燃烧流场的影响；徐榕等[16]利用数值计算方法，对环形燃烧室全流程两相燃烧流场进行了研究，并分析了进口工况对全流程燃烧流场的影响。

上述研究都没有涉及示踪粒子和双级旋流燃烧室流场相结合进行跟随性的研究，本文主要针对面粉、淀粉、石膏粉和氧化铝(Al2O3)粉作为示踪粒子进行理论计算和实验研究。通过文献[11]中所述方法计算这4种粒子跟随时间，通过PIV试验得出不同粒子的瞬时速度场以及沿着燃烧室高度方向的双级旋流器出口位置和主燃孔位置而为速度分布，分析得出这4种示踪粒子在该流场中流动显示特性的优劣。根据挑选出跟随性较好示踪粒子进一步进行PIV试验测量，验证其在不同湍流强度下的跟随性，进而得到适合双级旋流燃烧室PIV冷态流场测量的示踪粒子。

1 示踪粒子跟随性理论分析

1.1 示踪粒子的选择

PIV试验的示踪粒子首先必须满足一般标准，即示踪粒子应具有很好随动性,取决于粒子的直径、(堆)密度、光散射性。具有合适的密度是示踪粒子的基本要求,合适的示踪粒子尺寸能够保证流场测量的精度,示踪粒子要求具有良好的光反射性[17]。满足上述的基本要求后，还应该考虑粒子的经济性和安全性等。江平等[18]利用淀粉、面粉、石膏粉和Al2O34种示踪粒子的PIV试验对三级旋流杯燃烧室流场进行测量。蒋波等[19]通过PIV试验对低排放驻涡燃烧室冷态流场进行测试，选用轻质MgO作为示踪粒子；文献[10]选用MgCO3作为示踪粒子。本文根据经济性和易获得性选定淀粉、面粉、石膏粉和Al2O3作为示踪粒子，4种粒子均为白色粉末，通过1 250目筛网筛出4种粒子平均直径均为10 μm。

1.2 示踪粒子物理属性

选用的4种示踪粒子淀粉、面粉、石膏粉和Al2O3均为白色粉末，无毒无味。各粒子物理属性如表1，其中ρp为堆积密度，通过比重瓶法测得；dp为粒子直径。流体为空气，在20℃条件下动力粘度μf=1.83×10-5Pa·s，密度ρf= 1.23×10-3g·cm-3。

表1 示踪粒子的物理属性

1.3 粒子跟随性的数学模型

粒子图像测速仪测得的流场速度实际上是投放粒子的速度，因此，只有在粒子跟随性较好的情况下测得的速度才能代表流体的速度，这样就涉及到跟随性问题。BBO方程[8]是考虑了粘性阻力、压力梯度力、附加质量力和巴塞特(Basset)力、忽略了萨夫曼(Saffman)升力、马格努斯(Magnus)升力、浮力和重力的影响，利用牛顿第二定律得出的。当粒子直径很小时，达到微米量级时，流体速度uf与粒子速度up相差不大时，采用小雷诺数假设，只考虑粒子的粘性阻力作用的影响，使BBO方程得到进一步简化，得出示踪粒子跟随性计算的数学模型。利用这一数学模型推导出粒子跟随时间的计算式，单个粒子在运动流体中所受阻力为

(1)

式(1)中，CD为无因次阻力系数；AP为物体垂直于流体运动方向的投影面积，m2；uf为流体的速度，m/s；up为粒子速度，m/s。

依据牛顿第二定律，其运动方程为

(2)

up=uf[1-e-k(t-t0)]+up0e-k(t-t0)

(3)

当t=t0时，up=up0，假如在t=0时刻，以零速率(up0=0)把粒子投放到气流中，则有

up=uf[1-e-kt]

(4)

这样就得到了up、uf和时间t的函数关系式。上述等式中ρp为粒子的堆积密度，kg/m3；mp为单个粒子的质量，kg/m3；dp为单个粒子的直径，m。

1.4 粒子跟随时间计算与跟随性比较

由式(3)、式(4)式经过变换整理得到跟随时间t关于up/uf的函数关系式如下

(5)

根据式(5)计算4种粒子的跟随时间进而判断出跟随性优劣。具体方法为每种粒子流速比(up/uf)取逐渐逼近于1的10组数据，依次计算对应的跟随时间，计算结果如表2所示。

计算结果显示当粒子速度逼近流体速度即up/uf= 0.999 9时，4种粒子所需的时间接近千分之一秒，跟随性均能够满足要求，均可用作示踪粒子，但面粉跟随性更好。

表2 4种粒子的跟随时间计算结果

2 4种示踪粒子在双级旋流燃烧室流场中的特性

2.1 双级旋流燃烧室模型

燃烧室试验模型采用单头部双级径向旋流矩形模型，如图1所示，主要包括扩压器、燃烧室机匣、火焰筒和双级径向旋流器。火焰筒上下壁面分别均匀布置有3个主燃孔和2个掺混孔；为了便于PIV系统试验和观察，整个模型采用有机玻璃材料制成，省略了一些较小结构、火焰筒壁气膜冷却孔和燃油喷嘴等。双级径向旋流器，如图2所示，由一级径向旋流器、二级径向旋流器、文氏管和套筒组成，其中一级旋流器旋流数为1.02，叶片数为8片，旋向沿流动方向为顺时针，二级旋流器旋流数为0.97，叶片数为8片，旋向沿流动方向为逆时针。

2.2 PIV试验系统及条件

2.2.1 PIV试验系统

实验系统如图3所示，该系统由离心风机、粒子发生器、燃烧室试验件、粒子成像速度仪系统和粒子回收器系统等部件组成。风机功率为1.1 kW，通过调节变频器频率调节风机转速，从而改变进口风速；粒子发生器是由1.0 MPa空压机打压到装有示踪粒子容器中，再从容器中经均匀分布器送入到管道系统进行粒子发射，通过该粒子发生器发射的粒子能够使查询域中粒子达到PIV系统要求。PIV系统采用的是美国TSI 公司生产的二维粒子成像速度仪，系统由双脉冲激光器、同步器、激光发射器、CCD相机、数据处理系统和导光臂组成，其中激光器工作频率为10 Hz，CCD相机分辨率为1 600×1 200像素，采集速度为16帧/s，每两帧图像之间的最小时间间隔为15 μs，可见光波长为530nm，数据采集系统采用insight 3G软件进行分析，具有实时图像采集和处理的能力。

图1 燃烧室结构图

图2 双级旋流器几何结构图

2.2.2 试验条件

试验是在室温290 K、常压下进行的，通过变频器调节风机转速得到不同进口风速。

实验包括两部分：

(1)在一定进口风速下，分别选用4种示踪粒子进行流场试验；

图3 PIV试验系统示意图

(2)选用面粉作为示踪粒子，研究进口速度对燃烧室头部流场的影响。

2.2.3 试验结果与分析

(1)4种示踪粒子下燃烧室头部流场特点

在一定进口风速下，分别测得4种示踪粒子的旋流燃烧室头部流场。图4为不同示踪粒子下速度云图；图5为距旋流器出口50mm处轴向速度分布和径向速度分布；图6为主燃孔处轴向速度分布和径向速度分布。

图4 4种粒子的速度分布

从图4可看出4种粉末作为示踪粒子，都能产生双级径向旋流流场特点，即产生中心回流区，形成一定回流区和角区，并且回流区受到上下壁射流孔作用，体现射流有一定射流深度。但由于4种示踪粒子密度不同，粒子的跟随性有一定差距，形成的回流区的长度和大小也不同，相对于a、b和d跟随性要好一些。这可从图5旋流器出口截面轴向和径向速度分布曲线进一步可以看出。各曲线形态相似，都基本关于火焰筒中心对称分布，中心速度基本为零，在靠近燃烧室壁面处有角涡形成。Al2O3和flour从轴向速度分布曲线可看出中心轴对称性很好，而starch和gesso较差；而从径向速度曲线可看出，4种示踪粒子的跟随性有较大差别，说明4种示踪粒子由于受到双旋流作用，即使受到质量力相同，切向力导致所压力梯度力和粘性扩散力不同，所以径向速度有差别较大区别。从图6可看出，由于旋转气流受到主燃孔干扰后，轴向速度和径向速度都有较大变化，这时主燃孔射流深度较深，达到燃烧室中心线，使得轴线速度变化趋势基本相同。在主燃区径向旋流作用后，径向速度由变化趋势不同，经主燃孔射流作用，4种示踪粒子所呈现径向速度变化趋势基本相同，这说明主燃孔对中心回流区影响很大，4种粒子在主燃区所呈现的回流区是不同的，而主燃孔射流影响后的流场特点基本相同。

(2)风速对燃烧室头部流场的影响

以面粉作为示踪粒子，通过调节变频器改变风机转速得到4种进口风速。图7为不同风速情况下速度矢量图；图8为不同风速情况下距旋流器出口50mm处轴向速度和径向速度；图9为主燃孔处轴向速度和径向速度。

图6 不同示踪粒子在主燃孔处轴向和径向速度曲线

从图7中可以看出，随着风速逐渐增大，流场的湍流强度增大，粒子的速度逐渐增加，主燃孔射流比较明显，整个速度场比较对称，上下流场分布比较均匀，从实验的角度验证了该示踪粒子具有很好的跟随性。同时，流场随着风速的改变，流场各处特征并不明显变化，表明湍流强度对流场中示踪粒子的示踪性影响可以忽略不计。

从图8和9的燃烧室轴向速度的曲线可以看出，双级旋流器出口中心截面上，不同风速曲线基本成对称状，变化趋势相当，轴向速度梯度较大。速度曲线出现了明显的拐点，靠近中心轴位置速度曲线震荡剧烈，这些特点表明旋流器出口轴向速度的不均匀分布，主要因为只有旋流器中有空气流出，靠近火焰筒壁面轴向速度值为负，燃烧室中心轴在旋流器出口附近产生中心回流区，两侧产生小的回流区。

从图9a可看出，燃烧室内主流受主燃孔区域射流的影响后，流动相对平缓一些，但是轴向速度分布相对中心轴不对称，且各个曲线的形状和趋势差别较大。这是由于随着风速的增大，主燃孔射流受到粒子流速变快的影响显著增强，导致该位置的射流与来流耦合作用对流场影响增强。从图9b燃烧室径向速度分布可以看出两处位置径向速度曲线的变化趋势基本相同，不同风速作用下的变化趋势也基本一致。旋流器出口处的速度相对轴向速度来说较小，因为来流速度主要是靠轴向运动起推进作用，经过旋流器的特殊机构产生径向速度，产生回流区以稳定燃烧。主燃区处径向速度变大，主要由于横向射流促进作用。

图8 不同风速下双级旋流器出口处轴向和径向速度曲线

图9 不同风速下主燃孔处轴向和径向速度曲线

3 结论

通过全文的阐述，可得到如下的主要结论：

(1)运用BBO方程简化后得到流场中示踪粒子的跟随性的数学模型理论计算定量分析出示踪粒子跟随性的优劣：面粉>淀粉>石膏粉>Al2O3粉，从定性角度考虑，4种粒子的跟随性满足流场模拟要求；

(2)PIV试验下不同示踪粒子的双级旋流燃烧室冷态流场示踪性的优劣比较：面粉>石膏粉>淀粉>Al2O3粉，Al2O3粉和淀粉相比其它两种主要表现在射流稳定性差，回流区变形严重；

(3)双级旋流燃烧室流场湍流强度变化对示踪粒子(面粉)的速度特性影响较小，除了特殊位置处轴/径向速度变化受到射流和涡影响出现不同变化外，总的趋势保持一致可忽略不计；

(4)不同湍流强度影响下的面粉作为示踪粒子在双旋流燃烧室头部流场的跟随性较理想，表现出较好的稳定性。进一步说明应用简化了的示踪粒子跟随性数学模型模拟双级旋流燃烧室头部流场的准确性。

[1] LEFEBVRE A H，BALLAL D R.Gas Turbine Combustion[M].USA:CRC Press，2010:38-39.

[2] WOODMANSEE M A.Experimental flow field characterization of a combustor swirl cup[R].AIAA,2002-2864.

[3] WOO S S,YEOUNG M H,DAE S L.Flow and spray characteristics of a lean fuel injection module with radial swirlers[R].ASME.GT-118,2000.

[4] 徐惊雷.PIV技术在超及高超声速流场测量中的研究进展[J].力学进展，2012,42(1):81-90.

[5] MELLING A.Tracer particles and seeding for particle image velocimetry.Measurement Science and Technology[J].1997,8(12)：1406-1416.

[6] 李恩邦,李志平,李淳,等.湍流中示踪粒子跟随性的数值分析[J].仪器仪表学报，2009，30(2)：225-231.

[7] 李恩邦,李志平,李淳,等.全场光学测量中示踪粒子跟随性的数值分析[J].科学技术与工程，2007，7(20)：5208-5212.

[8] 舒玮.湍流中散射粒子的跟随性[J].天津大学学报，1980(1):77-85.

[9] M K MAZUMDER,K J KIRSCH.Flow tracking fidelity of scattering aeroscol in laser doppler velocimetry[J].Appl.Optics,1975,14(4):894-901.

[10]沈钧涛，陈十一，等.球形粒子在流体中的跟随性[J].空气动力学报，1989，7(1)：50-58.

[11]阮彩群，刘丽孺，谢灵，等.直接投入固体粒子示踪物显示气流的研究[J].力学与实践，2009，31(6)：75-76.

[12]EL-KADY A M，JENG S M,MONGIA H C.The influence of primary air jets on flow and pollutant emissions characteristics wihtin a model gas turbine combustor[R].AIAA-2006-544，2006.

[13]GIRIDHARAN M G，MONGIA H C，JENG S M.Swirl cup modeling-part Ⅲ:spray combustion in CFM-56 single cup flame tube[R].AIAA2003-0319，2003.

[14]ARCHER S,GUPTA A K.The Role of Confinement on Flow Dynamics under Fuel Lean Combustion Conditions[R].AIAA 2004-5617,2004.

[15]LINCK M,GUPTA A K.Effect of swirl and combustion on flow dynamics in luminous kerosene spray flames[R].AIAA 2003-1345,2003.

[16]徐榕，程明，赵坚行，等.斜切径向旋流器环形燃烧室数值模拟[J].航空发动机，2010，36(2)：46-50.

[17]阮驰，孙传东，白永林，等.水流场PIV测试系统示踪粒子特性研究[J].实验流体力学，2006，20(2)：72-77.

[18]王成军，江平，辛欣，等.基于PIV技术对三级旋流杯燃烧室流场的测量[J].航空动力学报，2015，30(5)：1032-1039.

[19]蒋波，何小民，金义，等.低排放驻涡燃烧室冷态流场特性试验[J].航空动力学报，2013，28(8)：1719-1726.

[20]彭云晖,林宇震,许全宏，等.双旋流空气雾化喷嘴喷雾,流动和燃烧性能[J].航空学报，2008，29(1)：1-14.

[21]ADEYINKA O B，NATERER G F.Experimental uncertainty of measured entropy production with pulsed laser PIV and planar laser induced fluorescence[J].Heat &Mass Transfer，2005，48(8):50-61.

[22]SMITH B L.Particle image velocimetry measurements of turbulent flow through a rod bundle[DB/OL].http://www.docin.com/p-758293571.html,下载时间：2017-02-03.

(责任编辑：吴萍 英文审校：赵欢)

Theeffectsoftracerparticlesonflowfieldofadualstageswirlcombustor

YU Lei,WANG Cheng-jun,CHEN He-he,SHEN Li-xin,LIU Ai-guo

(Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Characteristics of tracer particles are very important for PIV test research and affect accuracy of flow field distribution.A mathematical model about movement of tracer particles was established to analyze following performance of four kinds of tracer particles(i.e.starch,flour,gesso powder and Al2O3powder).The optical tracer particle was further selected and verified by PIV experiment in adual-stageradial swirl combustion chamber.The simulation results show that four kinds of particles are all able to meet the tracing require ments of flow field.The following performance of flour is better than the others.In view of PIV experiments of the head flow field,following performance of the four tracer particles all meet the requirements of dual-stage swirl flow field.There are the slight differences between following performance of the four trace particles,the flour is also the optimal.The comparison between theoretical calculations and experiments indicates the mathematical model established by simplified BBO equation can reflect the following performance of head flow field of dual-stage swirl combustor.

tracer particles;following performance;particle image velocimety(PIV);dual-stage swirler;combustor;flow field simulation

2017-04-21

国家自然科学基金(项目编号：51476106)；辽宁省自然科学基金(项目编号：2015020639)

于 雷(1993-)，男，辽宁抚顺人，硕士研究生，主要研究方向：航空发动机燃烧技术，E-mail：1243892925@qq.com；王成军(1967-)，男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要研究方向：航空发动机燃烧技术，E-mail：wangchengjun22@sina.com。

2095-1248(2017)04-0055-08

V211.7

： A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.04.007