凹腔与主流相互作用对驻涡燃烧室流动和燃烧特性影响的机理研究

To investigate the effect of the cavity-mainstream interaction on the flow and combustion characteristics of a trapped vortex combustor meets the need to develop trapped vortex and other similar staging combustion theory and techniques. The present work aims at giving insight into the flow physics and combustion under different interactions, and therefore, providing better understandings of the fundamental mechanism. The particle image velocimetry (PIV) and laser Doppler anemometer (LDA) are going to be used to measure the flow field with various cavity-mainstream interactions. The high-speed photography, gas analyzer and the high-temperature measurement system would be used in combination to investigate the combustion characteristics. In addition, numerical simulations will also be carried out to get more details. By analyzing both the experimental and the numerical results, the fundamental mechanism of the cavity-mainstream interaction will be revealed. The achievements of the present work are hopefully to not only beneficial to the development of the trapped vortex combustion theory and the trapped vortex combustion system design, but also valuable to other similar staging combustion theory.

研究凹腔与主流相互作用对驻涡燃烧室流动和燃烧特性影响的机理符合当前驻涡燃烧及其他分级燃烧理论与技术发展的需要。项目以此为对象开展试验与数值模拟研究工作。研究中应用粒子图像测速仪和激光多普勒测速仪测量不同相互作用方式下的流动特性，揭示相互作用对凹腔内三维旋涡流动和主流流动的影响规律，并结合高速摄影、气体分析仪和高温信号测量系统开展燃烧试验，探索两级相互作用对凹腔燃烧特性、主流燃烧特性以及两级综合燃烧性能的影响规律，同时开展相应数值模拟研究。通过分析总结试验和数值两方面的研究结果，揭示凹腔与主流相互作用影响驻涡燃烧室流动与燃烧特性的内在机理。项目获得的研究结果将有助于驻涡燃烧基本理论的发展，对驻涡燃烧系统的发展具有直接的指导意义，同时对其他分级燃烧理论的发展具有较强的参考价值。

基于凹腔稳定火焰的驻涡燃烧器是一种典型的分级燃烧系统，研究凹腔与主流相互作用对驻涡燃烧室流动和燃烧特性影响的机理是掌握该燃烧技术的基础。本项目采用数值模拟和试验相结合的方法，系统研究了不同气动参数和支板结构参数下两级相互作用的特性。.气动参数的研究表明：1）主流与凹腔前壁射流的速度比（VR）对凹腔内流场结构影响很大，在0.17到38范围内，随着VR的增大凹腔内依次呈现“卷吸”、“过渡”、“封闭”、“混合”和“填充”五种不同的流动结构，VR在1到2.67之间凹腔内为“封闭”结构，利于火焰稳定；2）随着凹腔前壁面进气缝和凹腔底部之间距离（H）的增大，凹腔内流动呈现双涡到三涡结构的变化；3）调节凹腔前壁面进气角度（θ）是控制凹腔内流场结构的有效方法，适当增大θ可以实现凹腔内流场从双涡到三涡的变化，H越大，临界θ值越大。.支板结构参数的研究表明：1）支板对驻涡燃烧系统的流动影响很大：支板下游的低压区引导凹腔内气流流向主流，强化了凹腔流动的三维特征；2）支板总面积越大，主流速度越高，支板下游低压区面积越大，主流截面凹腔内的旋涡越稳定，支板截面凹腔后壁面射流穿透深度越大；3）相同总面积下，支板数量越多，单个支板宽度越小，支板下游低压区越小，不利于凹腔气流流入主流，流动的三维性越弱。支板数量越少，单个支板宽度越大，支板下游低压区越大，有利于凹腔气流流入主流，流动的三维性越强，但支板宽度过大会破坏凹腔内旋涡流动结构；4）支板与凹腔喷嘴沿周向交错布置可以在凹腔内诱发流向涡，提高火焰稳定性和燃烧性能；5）当联焰板流向长度较短时（L=5mm），主流向凹腔中大量卷吸，当联焰板流向长度较长时（L=20mm），主流向凹腔中的卷吸量明显减少，燃烧室的点火性能和贫油熄火性能较好，而燃烧效率略低。.项目获得的研究结果有助于驻涡燃烧基本理论的发展，对驻涡燃烧系统的发展具有直接的指导意义，同时对其他分级燃烧理论的发展具有较强的参考价值。