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2018年  第32卷  第1期

面向发动机的湍流燃烧基础研究专栏
飞秒激光光谱技术在燃烧领域的应用
张大源, 李博, 高强, 李中山
2018, 32(1): 1-10. doi: 10.11729/syltlx20170141
摘要(236) HTML (157) PDF(24)
摘要:
基于飞秒激光的燃烧诊断技术,可实现燃烧场温度、速度、组分浓度等参数的在线测量。作为一种有效的诊断工具,飞秒激光诊断技术在燃烧领域中有着广泛的应用前景,将在提高燃烧效率和降低燃烧排放等方面发挥越来越重要的作用。本文通过综述飞秒多光子激光诱导荧光技术、飞秒激光成丝诱导非线性光谱技术以及飞秒激光电子激发示踪测速技术等飞秒激光在燃烧领域的具体应用实例,概括介绍了飞秒激光燃烧诊断技术的发展。在此基础上,对飞秒激光燃烧诊断技术在未来的发展潜力进行了分析与讨论,为相关研究人员提供参考。
基于发动机非正常燃烧的湍流火焰-冲击波相互作用的实验研究
卫海桥, 赵健福, 周磊
2018, 32(1): 11-18. doi: 10.11729/syltlx20170144
摘要(152) HTML (125) PDF(7)
摘要:
爆震、超级爆震等非正常燃烧现象是限制小型强化点燃式发动机热效率进一步提升的突出瓶颈。爆震或超级爆震发生时总会伴随着湍流火焰-冲击波的相互作用,因此对湍流火焰-冲击波的相互作用的研究是揭示其机理的关键。本文通过在可视化定容燃烧弹内安装孔板实现火焰过孔板加速并产生冲击波,并通过改变初始热力学条件和孔板的参数,来实现不同强度的湍流火焰和冲击波及其相互作用过程。基于该燃烧装置开展了火焰加速、冲击波的形成以及湍流火焰-冲击波相互作用导致不同燃烧模式的研究。根据燃烧室末端火焰传播和压力振荡情况,总结出5种燃烧模式,其中发生自燃的燃烧模式的压力振荡幅值均超过4.5MPa,是未发生自燃时的4~40倍。因此,湍流火焰-冲击波相互作用对燃烧压力振荡具有重要影响。
预混湍流火焰面褶皱结构网络拓扑研究
王金华, 聂要辉, 常敏, 张猛, 黄佐华
2018, 32(1): 19-25, 63. doi: 10.11729/syltlx20170147
摘要(195) HTML (39) PDF(5)
摘要:
湍流火焰结构是表征湍流与火焰相互作用的组分、速度、温度等标量场信息,理解湍流与火焰相互作用规律,验证和发展湍流燃烧模型的实验基础。针对传统曲率PDF分布反映湍流火焰面褶皱结构失准问题,利用网络拓扑结构方法可以标记系统关键节点和特征结构,构建湍流火焰面的拓扑结构。本文标记了湍流火焰面上的关键褶皱结构,分析了湍流与火焰的作用规律,结果表明:低湍流强度下,湍流火焰面的关键褶皱结构由火焰自身不稳定性引起;当湍流强度增大,湍流火焰面的关键褶皱结构由湍流尺度决定。在本生灯湍流火焰中,火焰自身不稳定性引起的火焰褶皱与火焰发展距离有关。在本生灯火焰底部,火焰自身不稳定性不引起火焰面褶皱,随着火焰向下游发展,其对火焰面影响逐渐增大,火焰褶皱程度增加。
CH4/Air反扩散射流火焰多组分同步PLIF诊断
陈爽, LukaszJan Kapusta, 翁武斌, 苏铁, 涂晓波, ZhongshanLi
2018, 32(1): 26-32. doi: 10.11729/syltlx20170138
摘要(245) HTML (143) PDF(25)
摘要:
多组分同步平面激光诱导荧光技术在研究火焰结构和燃烧反应中间产物二维分布等方面有着重要作用。为了研究CH4-Air反扩散射流火焰,搭建了OH/CH2O/丙酮(Acetone)多组分同步平面激光诱导荧光实验系统。系统由2套激光器、2部ICCD相机、1组时序控制器以及光学系统构成。通过对不同组分物质分子有效激发策略、时序控制方法以及双ICCD成像技术进行了分析,最终实现了对火焰反应区、预热区以及燃料分布区域等火焰结构信息瞬态测量及可视化。基于该实验系统,对反扩散射流火焰进行了实验研究。研究结果表明,反扩散射流火焰形式既不同于传统的预混火焰,也不同于常规的扩散火焰,更多表现为部分预混的扩散火焰;较之OH*化学发光成像,多组分平面激光诱导荧光结构更能准确认识火焰的基本形态和燃烧模式,在基础燃烧和工业研究中都具有重要的应用价值。
航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展
胡志云, 叶景峰, 张振荣, 王晟, 李国华, 邵珺, 陶波, 赵新艳, 方波浪
2018, 32(1): 33-42. doi: 10.11729/syltlx20170135
摘要(355) HTML (171) PDF(27)
摘要:
为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能,基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中,每种技术都有其局限性和适用范围,需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点,选择合适的激光诊断技术。在温度测量中,相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术主要用于单点温度测量,单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%;高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光(PLIF)测温方法,但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中,粒子成像测速(PIV)技术适用于低速流场速度的精细测量,羟基分子标记测速(HTV)技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量,HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中,主要采用自发拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering,SRS)和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。
激光吸收光谱断层诊断技术测量燃烧流场研究进展
洪延姬, 宋俊玲, 饶伟, 王广宇
2018, 32(1): 43-54. doi: 10.11729/syltlx20160177
摘要(532) HTML (235) PDF(23)
摘要:
激光吸收光谱断层诊断技术(TDLAT)是将可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)与计算机断层诊断技术(CT)相结合的一种新型的流场二维测量技术。该测量技术具有灵敏度高、抗噪声能力强等优势,可用于高温、高速、有毒等严苛环境下的流场监测,尤其在燃烧和推进流场测量中具有广阔的应用前景。首先介绍了TDLAT测量的基本理论,其次将TDLAT系统分为4个基本模块,即光学测量模块、数据处理模块、重建算法模块和后处理模块,分别对各模块的研究现状和关键技术进行了综述和对比分析,再次,列举了TDLAT在超燃冲压发动机、航空发动机和燃煤锅炉上的应用,最后讨论了TDLAT在燃烧流场测量中的发展趋势和有待解决的问题。介绍的TDLAT技术研究现状、关键技术及发展动态可为相关研究人员提供参考。
基础研究及应用
沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究
王鑫, 李山, 唐湛棋, 姜楠
2018, 32(1): 55-63. doi: 10.11729/syltlx20170092
摘要(307) HTML (119) PDF(19)
摘要:
壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关,研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律,有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理。在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中(Reτ=190),采用高时间分辨率粒子图像测速技术,测量光滑平板和沟槽板(s+=2h+=16.3)湍流边界层,分别获得了15998个瞬时速度矢量场。使用λci识别展向涡,比较了2种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例。结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小,逆向涡的数量增大,并削弱了展向涡的强度;沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加,中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小,使得近壁区顺向涡的尺度差异变小,对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响;沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例,并增大了大尺度顺向涡的数量比例,对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反。
基于时间解析PIV的圆柱绕流尾迹特性研究
王勇, 郝南松, 耿子海, 王万波
2018, 32(1): 64-70. doi: 10.11729/syltlx20170099
摘要(589) HTML (379) PDF(32)
摘要:
采用时间解析PIV(采样频率为1000Hz)在0.55m×0.4m声学风洞中测量了直径D=20mm圆柱后方7.5倍直径、圆柱两侧各3.3倍直径所围成范围内的绕流尾迹在雷诺数Re=2.74×104下的非定常流场。针对PIV获得的速度场数据,进行流场和频谱特性分析,探讨了圆柱绕流尾迹中的平均流场和脉动流场特性,以及旋涡脱落的频率特性。提出了基于速度场之间相关性的相位平均分析方法,系统分析了圆柱上下两侧旋涡交替生成、脱落、发展并耗散的完整演化过程。结果表明:在圆柱后方存在一个低速回流区,其中心0.8D的位置附近是流动结构变化最剧烈的区域;圆柱后方1.9D位置附近是上/下两侧脱落旋涡交汇、耦合的区域,湍流脉动最强;圆柱绕流尾迹中,旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数稳定在0.2左右;基于速度场之间相关性的相位平均分析方法简单有效,可以准确地识别绕流尾迹中旋涡交替脱落和发展的时空演化过程,在非定常流场测量方面具有普遍推广意义。
液体圆柱射流在气流中的破碎特性实验研究
邓甜, 蒋帅, 高绪万
2018, 32(1): 78-83, 97. doi: 10.11729/syltlx20170107
摘要(206) HTML (69) PDF(15)
摘要:
本文采用高速相机对低速横向气流作用下的圆柱射流表面波发展及液柱断裂和破碎进行观察研究。实验喷嘴为直射式,孔径为1mm,长径比为20。工质采用水和空气;工况为:温度293K,液体射流速度为2~20m/s,雷诺数为2400~22400,横向气流速度为10~40m/s,气流韦伯数为1.6~25.6,液气动量比为5~127。高速相机帧幅为2000,曝光时间为16s。通过实验观察到横向气流气体韦伯数的变化导致射流破碎形式呈现不同形式变化,液体射流的无量纲表面波波长与气流韦伯数的-0.31幂指数方成正比;主液柱断裂点沿横向气流方向的距离随着液气动量比的增大而减小,而沿初始射流方向的距离随液气动量比的增大而增大;断裂后产生的液滴在沿横向气流方向的速度分量为横向气流速度的0.1倍左右,而沿初始液体射流方向的速度分量先呈现出与液气动量比线性增长关系,直到其变为射流初始速度的0.8倍左右并保持在这一水平。在上述研究基础上,本文拟合了低速射流表面波的波长与气流韦伯数间关系式以及射流破碎位置、射流轨迹及液柱断裂产生液滴的速度与射流初始条件间的数学关系。
螺旋桨滑流与平尾深失速效应耦合影响试验研究
李兴伟, 李聪, 徐传宝, 李盛文
2018, 32(1): 84-89. doi: 10.11729/syltlx20170068
摘要(269) HTML (148) PDF(4)
摘要:
本文采用螺旋桨飞机动力模拟风洞试验技术,研究常规布局涡桨飞机的螺旋桨滑流在大迎角条件下对飞机纵向气动特性的影响规律。中航气动院FL-9风洞中通过伺服电机驱动螺旋桨转动进行螺旋桨动力模拟风洞试验,试验迎角范围0°~50°,试验风速范围为30~50m/s。为了获得大迎角试验数据,常规迎角试验采用常规单支杆进行试验,大迎角试验采用带预弯的支杆进行试验。利用螺旋桨滑流风洞试验研究在大迎角时平尾深失速效应与滑流的耦合影响规律。研究结果表明,螺旋桨滑流会使得试验模型升力和阻力增加,纵向静稳定性降低,并且在大迎角条件下依然满足这些规律。此外,在较大迎角时平尾进入滑流与机翼洗流的耦合影响区域后,滑流会使得平尾失速效应加剧并且平尾更难从失速状态中改出,即受平尾深失速影响的迎角范围会更大且平尾深失速效应加剧。
测量技术
矢量喷管静推力精确测量试验技术研究
邓祥东, 宋孝宇, 季军, 郭大鹏, 李鹏
2018, 32(1): 90-97. doi: 10.11729/syltlx20160187
摘要(115) HTML (74) PDF(11)
摘要:
详细论述了矢量喷管静推力精确测量试验技术的原理、所需设备以及试验方法,该技术主要模拟喷管模型喷流落压比以及出口马赫数相似参数,将模型安装在推力测量平台的真空试验舱中,同时利用外式天平进行矢量喷管气动力的精确测量。试验数据经过流量修正、安装姿态修正、基于橡胶膜片的空气桥系统对于天平的压力影响以及流量影响修正之后,即可以得到较为精确的矢量喷管静推力值、推力系数以及矢量角等参数。试验结果表明:在推力测量平台进行矢量喷管静推力测量试验,轴向、法向推力系数以及矢量角随落压比的变化规律正确,试验精度满足国军标要求,达到型号应用水平。
实验设备及方法
小型低温风洞压缩机转子结构设计
陈振华, 聂徐庆, 杨文国
2018, 32(1): 98-104. doi: 10.11729/syltlx20170094
摘要(152) HTML (67) PDF(2)
摘要:
低温风洞的轴流压缩机是整个风洞的动力装置,具有温度范围宽广、运转速度较高等特点。本文围绕低温压缩机的转子结构设计,论述了压缩机主轴-轮毂连接、轮毂-叶片连接、轴承的选取、轴承的润滑、密封结构形式以及轴系热防护方案等关键技术,针对弹性支承下的转子动力学校核以及转子热应力计算等内容开展了仿真研究。计算结果表明,转子第一阶临界转速远高于最大转速,降温结束时推力轴承座圆锥面内侧的最大应力值约170MPa,安全系数大于1.5。压缩机组和小型低温风洞进行了联合调试,当总温降至110K时,轴承温度大于5℃,轴承振动在全转速范围内小于3mm/s。各项性能指标均满足使用要求,调试结果验证了该压缩机转子系统设计的可靠性。

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《实验流体力学》编辑部

2021年8月13日