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1、旋流器结构对中心分级燃烧室燃烧性能影响分析学 院航空航天工程学院专 业能源与动力工程班 级学 号姓 名指导教师负责教师沈阳航空航天大学2017年6月I沈阳航空航天大学毕业设计（论文）摘 要窗体顶端随着科学技术的进步, 航空发动机的燃烧压力、温度的升高, 爆炸室的运行范围更加稳定可靠。水力旋流器对燃烧室的性能有很大的影响, 合理的结构设计能极大地提高飞机发动机燃烧室的整体性能。通过对相关文献的对比分析, 对数值模拟和 piv 试验的结果进行了比较, 以确定湍流模型在数值模拟中的应用。根据燃烧室结构的合理选择, 叶片的安装角度是决定旋流器性能的主要参数。本文在对燃烧室结构简化的基础上, 采用 so
2、lidworks 软件建立了燃烧室的几何模型。使用Gambit软件, 使用流体动力学计算软件 (fluent) 解决问题。在模拟中选择了可实现的 k 湍流模型、燃烧模型、辐射模型和燃料雾化模型。最后, 通过分析温度场分布的结果和理论结果, 分析主燃烧区高温区温度，出口温度场高温区，回流区，表明该模型在计算中选择合理可行, 为工程实践提供了理论依据。关键词: 航空发动机, 三级旋风;piv 测试;温度场Influence of cyclone structure on combustion performance of central staged combustorAbstractWith t
3、he progress of science and technology, the combustion pressure and temperature of aero-engine are increased, and the operating range of the explosive chamber is more stable and reliable. The Hydrocyclone has a great influence on the performance of the combustor, and the reasonable structure design c
4、an greatly improve the overall performance of the combustion chamber of the aircraft engine.Through comparative analysis of related literatures, the results of numerical simulation and PIV test are compared to determine the application of turbulence model in numerical simulation. According to the re
5、asonable selection of combustion chamber structure, the installation angle of blades is the main parameter to determine the performance of Hydrocyclone.Based on the simplification of combustion chamber structure, the Geometry model of combustion chamber is established by using SolidWorks software. U
6、sing the Start software, use fluid dynamics computing software (fluent) to solve the problem. An achievable K- turbulence model, a combustion model, a radiation model and a fuel atomization model are selected in the simulation. Finally, by analyzing the results of temperature field distribution and
7、theoretical results, it is shown that the model is reasonable and feasible in the calculation, which provides the theoretical basis for engineering practice.Keywords: aero-engine, three-stage cyclone;符 号 表s叶片厚度mv速度m/sm质量Kgn叶片数p0环境压力MPa效率vf流体速度m/sFs通用面积m2t温度K夹角D外径md内径mh高度m目 录1 绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状及分
8、析21.2.1 国内研究现状及分析21.2.2 国外研究现状及分析21.3 本课题的主要研究内容32 中心分级燃烧室42.1 中心分级燃烧室基本工作原理62.2 中心分级燃烧室工作特点72.3 中心分级燃烧室结构特点72.4 对燃烧室的性能要求73 PIV测试技术原理与应用103.1 PIV系统组成113.2 PIV测速原理123.3 PIV试验步骤133.4 PIV应用154 数值计算基本理论184.1 主控方程184.1.1 质量守恒方程（mass conservation equation）184.1.2 动量方程(momentum conservation equation)184.1
9、.3 组分平衡方程（Component equilibrium equation）184.1.4 能量守恒方程(energy conservation equation)194.2 物理模型204.2.1 标准k-模型204.2.2 湍流燃烧模型214.2.3 燃油雾化燃烧模型214.2.4 辐射模型224.3 FLUENT简介234.4 数值研究的方法245 中心分级燃烧室燃烧性能影响计算265.1 中心分级燃烧室模型的建立265.2 中心分级燃烧室网格划分265.3 中心分级燃烧室燃烧性能影响计算275.3.1 计算边界条件275.3.2 湍流模型的选择275.3.3 旋流器的通风面积、旋
10、流数计算286 数值计算及结果分析326.1不同值班级第二级叶片安装角下的中截面温度场32 6.2 不同值班级第二级叶片安装角下的出口温度场336.3 不同值班级第二级叶片安装角下的回流区大小比较346.4 不同值班级第二级叶片安装角下的中截面速度矢量图346.5 不同值班级第二级叶片安装角下的中轴线速度曲线356.6不同值班级第二级叶片安装角下的中轴线温度曲线366.7不同值班级第二级叶片安装角下的出口NOX浓度场367 总结38参考文献39致 谢401 绪论1.1 引言航空发动机在最近一百年里历史分成2个阶段：第一个阶段是从莱特兄弟的第一次航行起至第二次世界大战结束，活塞式发动机总占领市场
11、四十年；第二个阶段是从第二次世界大战结束到现在，共六十年来，航空燃气轮机被活塞式发动机所取代，喷气时代被航空燃气轮机所创始，一直是我们航空动力主导地位。早期飞机动力源问题有一定解决过程，如下：飞行多次失败是飞机动力源问题所导致；我们的动力源使用蒸汽机，质量太重；在1810年，飞行原理被英国科学家凯利所发现了；1876年，德国工程师奥托试制成煤气内燃机，它的热效率高于蒸汽机的四冲程试煤气内燃机；人们开始试使用内燃机变为飞机飞行的动力源。航空发动机三种类型中应用最为广泛的一种：燃气轮机（燃气涡轮发动机）。燃烧室的可靠性和有效水平很大程度决定发动机的可靠性、经济性和寿命。燃烧室的技术水平对发动机性能
12、、结构方案和结构重量有重要影响。因此我们一直在改进燃烧室，优化其性能参数尤为重要。随着航空发动机不断更新，军民用航空器不断向前发展。航空发动机技术的不断完化，进一步升高军、民用航空发动机各项指标，进一步加大燃烧室的进口压力、温度和燃烧室温升，在更广阔的范围内燃烧室需要稳定可靠的工作。在现在最新航空发动机燃烧室的设计中，需要注意重量轻、尺寸小、长度短这些优点，因为燃烧室内拥有特别高的空气速度，其中空气和燃油进行混合和燃烧的时间变短，燃气将较短的时间充分燃烧，所以在燃烧室火焰筒头部安装上一个旋流器。为了在高速气流中保持火焰的稳定，还需要让油气充分混合，让燃料完全燃烧，提高了性能，所以很重要的是设计
13、利于燃烧室旋流燃烧的装置。 按进气方式旋流器可分为3种：径向叶片式、轴流叶片式、斜切空气孔式；另一种按照叶片类型分成直叶片型还有曲叶片型。旋流器的内径 、旋流数 SN，旋流器额外径、喉道的面积 As，叶片的宽度S、曲率 Rx、出口额面积 ，旋流半径 R这些事物是主要的因素。在设计中，需要增加其稳定工作范围并减少燃烧室的冒烟，旋流器也从单级促进发展到了三级。燃烧室为燃气轮机的主要零件，燃烧室的好坏直接影响发动机的性能与工作所以我们需要发明一种流动阻力小、燃烧效率高、点火可靠、工作状态稳定、寿命长、出口温度高、低污染排放且让高热容、高性能燃烧室分布合理是现在燃气轮机的研制里十分重要的一项任务. 燃
14、烧室主要部件之一是旋流器,燃烧室对燃烧性能有着深远影响。大量的试验和数值研究被国内外很多学者进行计算。特别重要意义就是燃气轮机燃烧室温度场、流场。1.2 国内外研究现状及分析在数值的模拟、PIV测速技术许多激光测试的辅助，国内外的研究人员对空发动机燃烧室的中心分级流场设计进行许多研究。1.2.1 国内研究现状及分析付镇柏和助手发明了贫头部的中心分级燃烧室,在大推的力工况数值下,进行了污染的测试,对比了预燃级的单独供油和主预两级一同的供油、全环的主燃级周向分级的三种方式：燃烧的效率、氮氧化物、冒烟的排放。邹博文一些人针对中心分级模型燃烧室开展一系列的实验：慢车状态贫油熄火的试验和常压贫油的熄火试
15、验,.实验中表示:这取决于中心分级燃烧室其中贫油熄火的油气比得值是预燃级和主燃级共同形成的耦合的回流区。付镇柏一些人完成了燃烧性能的实验，测试了预燃级的旋流杯套的筒扩张角以及预燃级气量分配中对污染的排放、燃烧的效率和贫油熄火的油气的比值的重要影响。1.2.2 国外研究现状及分析Wang H Y一些人对其流场中影响各种的结构参数，如：套筒、几何缩放的比例、文氏管、喷雾的锥角这些事物进行许多系列实验。Adrian Spence一些人对某航空发动机燃烧室中内部流场利用PIV的技术进行实验，最终我们看到了燃烧室中大范围条件的强湍流流场下，用PIV的技术中，测量过程必须计算测量尺寸造成空间的过滤因素的差别影响
