高頻Stereo-PIV系統(tǒng)揭示旋流火焰貧燃吹熄機(jī)理研究取得重要進(jìn)展
來源：機(jī)經(jīng)網(wǎng) 時(shí)間：2026-03-17 16:25
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒研究領(lǐng)域，解析旋流火焰的流場結(jié)構(gòu)及貧燃吹熄機(jī)理一直是學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)課題。近日，某航空航天國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)利用千眼狼高頻Stereo-PIV系統(tǒng)，結(jié)合OH*化學(xué)發(fā)光測量技術(shù)，對中心分級旋流火焰的貧燃吹熄機(jī)理開展系統(tǒng)研究，取得重要突破。
破解復(fù)雜流場測量難題
航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部的旋流火焰涉及復(fù)雜的回流區(qū)結(jié)構(gòu)和高頻湍流，傳統(tǒng)測量手段難以全面捕捉流場細(xì)節(jié)。特別是在貧燃吹熄發(fā)生前，流場由小尺度湍流向大尺度相干結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，需要極高的時(shí)間分辨率進(jìn)行時(shí)域分析。此外，單面二維速度場無法完整描述旋流的軸向、徑向及切向速度演化，對測量技術(shù)提出了更高要求。
針對上述難題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了高頻流場測量平臺(tái)，通過向流場中加入微米級氧化鋁示蹤粒子，利用激光片光形成測量平面，以5kHz重復(fù)頻率獲取燃燒器內(nèi)部瞬態(tài)速度矢量場。每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況采集約10000組瞬態(tài)流場數(shù)據(jù)，為統(tǒng)計(jì)分析和模態(tài)分解提供了可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，系統(tǒng)集成的OH*化學(xué)發(fā)光測量功能，實(shí)現(xiàn)了流場結(jié)構(gòu)與火焰反應(yīng)區(qū)域的同步觀測。
高頻Stereo-PIV與OH*化學(xué)發(fā)光同步測量系統(tǒng)示意圖
流場結(jié)構(gòu)演化規(guī)律首次系統(tǒng)揭示
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著主級與引燃級速度比的變化，中心分級旋流燃燒器內(nèi)部的回流區(qū)形態(tài)發(fā)生顯著變化。在較低速度比條件下，中心主回流區(qū)主要由引燃級旋流主導(dǎo)，呈現(xiàn)較為緊湊的結(jié)構(gòu)；速度比逐漸增加時(shí)，主級旋流噴流逐漸增強(qiáng)，并在下游區(qū)域與引燃級噴流合并；速度比進(jìn)一步提高時(shí)，主級旋流成為主導(dǎo)動(dòng)力源，回流區(qū)位置向下游移動(dòng)，形成更寬的高速射流結(jié)構(gòu)。
這一系列速度場變化表明，中心分級燃燒器的流場可根據(jù)速度比分為引燃級主導(dǎo)、雙級協(xié)同以及主級主導(dǎo)三種流動(dòng)模式。該發(fā)現(xiàn)為后續(xù)貧燃吹熄實(shí)驗(yàn)的參數(shù)選擇提供了科學(xué)依據(jù)，也證實(shí)了旋流流場結(jié)構(gòu)變化是影響火焰穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。
模態(tài)分析識(shí)別主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)
基于瞬態(tài)速度場數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用SPOD方法進(jìn)行頻域模態(tài)分析，提取流場中的主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果顯示，在低速度比條件下，流場主導(dǎo)模態(tài)能量主要集中在引燃級旋流區(qū)域，呈反對稱分布；速度比增加至中等水平時(shí)，主導(dǎo)模態(tài)能量同時(shí)出現(xiàn)在主級與引燃級噴流交匯區(qū)域；速度比進(jìn)一步提高時(shí)，主導(dǎo)模態(tài)能量集中在下游區(qū)域。
這種定量識(shí)別旋流燃燒器內(nèi)部主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)及其能量分布位置的方法，為揭示氣流分級設(shè)計(jì)如何改變流場穩(wěn)定機(jī)制提供了新的分析手段。
貧燃吹熄機(jī)理研究取得關(guān)鍵突破
在火焰接近貧燃吹熄極限的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)量比逐漸降低時(shí)，原本由多個(gè)頻率組成的流動(dòng)結(jié)構(gòu)逐漸被單一低頻模態(tài)主導(dǎo)。該低頻模態(tài)的空間分布主要集中在主回流區(qū)與火焰錨定區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示，低頻大尺度結(jié)構(gòu)周期性擾動(dòng)回流區(qū)內(nèi)部流動(dòng)，影響高溫燃燒產(chǎn)物向火焰根部輸運(yùn)。當(dāng)擾動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，火焰根部無法持續(xù)獲得足夠的活性自由基，導(dǎo)致局部熄滅并引發(fā)整體火焰吹熄。
通過分析第一模態(tài)空間分布，研究團(tuán)隊(duì)清晰定位了關(guān)鍵擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的位置及影響范圍，揭示了火焰錨定區(qū)域附近的大尺度不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)特征。
為低排放燃燒室設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)
本研究基于高頻Stereo-PIV與OH*化學(xué)發(fā)光同步診斷，系統(tǒng)揭示了中心分級旋流燃燒器貧燃條件下的流場結(jié)構(gòu)演化及貧燃吹熄特性。研究發(fā)現(xiàn)，接近貧燃吹熄極限時(shí)，流場由小尺度湍流主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨认喔山Y(jié)構(gòu)主導(dǎo)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)周期性擾動(dòng)高溫產(chǎn)物向火焰根部的輸運(yùn)，削弱熱反饋與自由基供給，最終觸發(fā)局部熄滅并導(dǎo)致整體吹熄。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，該研究通過5kHz高頻立體PIV獲取三分量瞬態(tài)速度場，結(jié)合模態(tài)分解分析，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜旋流結(jié)構(gòu)識(shí)別與關(guān)鍵不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)定位，為揭示燃燒穩(wěn)定機(jī)理和建立LBO預(yù)測模型提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)低排放燃燒室設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。（李霞）
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