预燃级关键参数对分层部分预混高温升燃烧室点熄火特性的多维度解析

预燃级关键参数对分层部分预混高温升燃烧室点熄火特性的多维度解析一、引言1.1研究背景与意义在全球航空事业蓬勃发展的当下，航空发动机作为飞机的核心动力装置，其性能的优劣直接决定了飞机的飞行性能、安全性和经济性。随着现代高性能飞机对高机动飞行的追求愈发强烈，对航空发动机单位推力的要求也在不断攀升。为满足这一需求，提高主燃烧室总油气比，进而增加涡轮前燃气温度，成为提升航空发动机单位推力最为直接有效的途径。与此同时，飞机飞行任务的多样化，使得对拓宽飞行包线的需求更为迫切，这就要求主燃烧室在高空左边界和空中慢车等低工况下不会发生贫油或富油熄火，并且在高空风车起动状态能够可靠点火。在此背景下，航空发动机主燃烧室正朝着高温升、高容热和宽稳定工作范围的方向发展。然而，高温升燃烧室的发展面临着诸多严峻挑战，其中最为突出的便是大工况下可见排气冒烟与慢车贫油熄火之间的矛盾。当试图提高主燃烧室温升，增加燃油量时，虽然能在一定程度上提升发动机性能，但在大工况下，由于富油燃烧，会产生可见的排气冒烟现象，这不仅会降低燃烧效率，还会恶化出口温度场，对环境造成不良影响；若为解决冒烟问题而调整主燃烧室的空气流量分配，增加头部空气量，降低主燃区的当量比，又会导致小工况下因贫油燃烧而使点熄火边界变窄，严重影响发动机在小工况下的稳定性和可靠性。分层局部预混燃烧技术为解决上述矛盾带来了新的曙光。这种技术巧妙地借鉴了低污染燃烧室的设计理念，采用中心预燃级扩散燃烧与主燃级局部预混燃烧相结合的方式。在中心预燃级，通过扩散燃烧保证了局部富油状态，为燃烧提供了稳定的火源；主燃级的局部预混燃烧则加强了大状态下油气的掺混，使得燃烧更加充分，在改善贫油熄火性能的同时，有效防止了大状态排气冒烟问题，展现出了巨大的优势和潜力。在对分层局部预混高温升燃烧室的研究中，由于主燃级气量以及油量所占比重相对较大，过去的研究往往将重点聚焦于主燃级的油气混合，而在一定程度上忽视了预燃级的重要影响。实际上，预燃级作为燃烧室点火和稳定燃烧的关键区域，其关键参数如内外级气量比、内级角度、外级角度、出口套筒扩张角等，对燃烧室的点熄火特性以及发动机大推力状态下的性能有着至关重要的作用。不同的预燃级参数设置，会导致燃油分布和流场结构的显著变化，进而影响点火时核心火团的传播、熄火时火焰的稳定以及燃烧效率、压力损失和出口温度分布等关键性能指标。若预燃级内级气量比例不当，可能会导致中心回流区位置改变，影响火焰的稳定性；预燃级外级旋流角度的变化，则可能会改变燃油的分布和雾化效果，对燃烧效率和冒烟情况产生影响。因此，深入研究预燃级关键参数的影响规律，对于优化燃烧室设计、提升燃烧室性能具有重要的现实意义。本文以已有的分层局部预混高温升燃烧室头部旋流器为研究对象，综合运用数值模拟和试验研究的方法，针对预燃级内外级气量比、预燃级内级角度、预燃级外级角度、预燃级出口套筒扩张角四个关键参数展开系统研究。通过Fuel-PLIF和PIV光学测量手段，深入探究预燃级燃油分布和流场结构，并创新性地提出综合旋流数CSn的概念，在此基础上全面分析不同参数的影响作用。通过试验详细考察不同方案的点熄火特性，并紧密结合燃油分布和流场结构试验结果，深入剖析不同参数对点熄火性能的影响规律。采用数值模拟方法，深入研究不同预燃级参数对燃烧室压力损失、燃烧效率、燃烧室出口温度分布系数和径向温度分布系数的影响规律，旨在为分层局部预混高温升燃烧室的优化设计提供坚实的理论依据和技术支持。1.2国内外研究现状在航空发动机领域，分层部分预混高温升燃烧室的研究近年来备受关注。国外在这方面的研究起步较早，取得了一系列具有重要价值的成果。美国国家航空航天局（NASA）以及一些知名航空发动机制造商，如通用电气（GE）、普惠（PW）等，投入了大量资源进行相关研究。他们通过数值模拟和试验研究相结合的方式，深入探究了分层部分预混燃烧技术在高温升燃烧室中的应用。在数值模拟方面，运用先进的计算流体力学（CFD）软件，如ANSYSFluent、STAR-CCM+等，对燃烧室内部的复杂流动和燃烧过程进行模拟，通过建立详细的物理模型和化学反应机理，预测不同工况下燃烧室的性能，包括燃烧效率、压力损失、污染物排放等。在试验研究方面，搭建了高精度的试验台架，采用先进的测量技术，如激光诱导荧光（LIF）、粒子图像测速（PIV）等，对燃烧室内部的流场结构、燃油分布和燃烧特性进行测量和分析，为燃烧室的设计和优化提供了可靠的数据支持。国内众多科研机构和高校，如清华大学、西北工业大学、中国科学院工程热物理研究所等，也在分层部分预混高温升燃烧室领域开展了深入研究。通过自主研发和技术创新，在燃烧组织方式、燃烧室结构设计等方面取得了显著进展。在燃烧组织方式上，提出了多种新颖的设计理念，如中心分级燃烧、多旋流燃烧等，通过合理组织燃烧过程，提高燃烧效率，降低污染物排放。在燃烧室结构设计上，运用先进的优化算法和数值模拟技术，对燃烧室的形状、尺寸、进气方式等进行优化，提高燃烧室的性能和可靠性。关于预燃级关键参数的研究，国内外学者也做了不少工作。国外学者通过大量的试验和数值模拟，研究了预燃级旋流角度、气量比等参数对燃烧稳定性和排放特性的影响。研究发现，预燃级旋流角度的变化会显著影响气流的流动特性和燃油的雾化效果，进而影响燃烧稳定性和排放性能；气量比的调整则会改变预燃级内的油气混合比例，对燃烧过程产生重要影响。国内学者则更加注重预燃级关键参数对燃烧室整体性能的综合影响。通过试验和数值模拟相结合的方法，深入分析了不同参数设置下燃烧室的点火性能、熄火性能、燃烧效率以及出口温度分布等关键性能指标的变化规律，为燃烧室的优化设计提供了理论依据。然而，当前的研究仍存在一些不足之处。一方面，对于预燃级关键参数之间的相互作用和耦合效应研究不够深入。预燃级内外级气量比、内级角度、外级角度、出口套筒扩张角等参数之间可能存在复杂的相互关系，一个参数的变化可能会影响其他参数的作用效果，但目前的研究大多是单独研究某个参数的影响，对参数之间的耦合效应缺乏系统的研究。另一方面，在研究预燃级关键参数对燃烧室性能的影响时，往往侧重于点熄火特性、燃烧效率等单一性能指标，缺乏对燃烧室整体性能的综合评估。燃烧室的性能是一个复杂的系统，包括压力损失、燃烧效率、出口温度分布、污染物排放等多个方面，需要综合考虑这些因素，才能全面评估预燃级关键参数对燃烧室性能的影响。此外，在实际应用中，燃烧室的工作环境复杂多变，受到多种因素的影响，如飞行高度、速度、发动机工况等，但目前的研究大多是在实验室条件下进行的，对实际工作环境下预燃级关键参数的影响规律研究较少，这限制了研究成果在实际工程中的应用。1.3研究内容与方法本文主要聚焦于预燃级关键参数对分层部分预混高温升燃烧室点熄火特性的影响，针对预燃级内外级气量比、预燃级内级角度、预燃级外级角度、预燃级出口套筒扩张角这四个关键参数展开深入研究。在研究方法上，综合运用数值模拟与试验研究两种手段。数值模拟方面，借助专业的计算流体力学（CFD）软件，如ANSYSFluent。通过建立精确的几何模型，对分层部分预混高温升燃烧室的复杂结构进行细致刻画，确保模型能够准确反映实际燃烧室的几何特征。选择合适的湍流模型，如RNGk-ε模型，以准确模拟燃烧室内的湍流流动，考虑到燃烧过程中涉及的复杂化学反应，采用合适的燃烧模型，如EddyDissipationConcept（EDC）模型，来描述燃烧反应的速率和机理。同时，合理设置边界条件，包括入口的空气流量、温度、压力，以及燃料的喷射条件等，使其尽可能接近实际工况。通过数值模拟，能够获得燃烧室内详细的流场信息，如速度分布、压力分布、温度分布等，以及燃油的蒸发、混合和燃烧过程，为分析预燃级关键参数对燃烧室性能的影响提供数据支持。试验研究则搭建专门的燃烧室试验台架，模拟不同的工况条件。采用Fuel-PLIF（燃料平面激光诱导荧光）技术，精确测量预燃级的燃油分布情况。通过激光照射，使燃油分子被激发产生荧光，根据荧光强度的分布，直观地获取燃油在预燃级内的浓度分布和空间分布，从而了解不同参数设置下燃油的喷射和扩散特性。运用PIV（粒子图像测速）技术，测量预燃级的流场结构。在流场中撒入示踪粒子，利用激光片光源照亮测量区域，通过高速摄像机拍摄示踪粒子的运动图像，经过图像处理和分析，得到流场中各点的速度矢量，进而揭示流场的速度分布、涡量分布等结构特征。通过这些光学测量手段，深入了解预燃级的燃油分布和流场结构，为分析预燃级关键参数的影响提供试验依据。同时，在试验中详细考察不同方案的点熄火特性，记录点火和熄火时的油气比、火焰筒进出口压降等关键参数，结合燃油分布和流场结构试验结果，深入剖析不同参数对点熄火性能的影响规律。二、相关理论基础2.1分层部分预混高温升燃烧室工作原理分层部分预混高温升燃烧室主要由预燃级和主燃级两大部分构成。在燃烧室的工作过程中，空气首先被引入，经过一系列复杂的流动和分配，分别进入预燃级和主燃级。预燃级通常采用扩散燃烧方式。从压气机送来的高压空气，一部分通过预燃级的旋流器进入预燃级区域。旋流器的设计使得空气产生旋转运动，形成特定的流场结构，例如中心回流区。燃油通过预燃级的喷嘴喷入该区域，与旋转的空气在有限的空间内进行混合。由于燃油和空气的混合时间相对较短，且混合过程不够充分，因此预燃级呈现出扩散燃烧的特点。在扩散燃烧过程中，燃油从喷嘴喷出后，以液态形式存在的时间相对较长，逐渐蒸发并与周围的空气发生化学反应。这种燃烧方式能够保证局部富油状态，即使在油气比较高的情况下，也能稳定地维持燃烧，为后续主燃级的燃烧提供稳定的火源和高温燃气。在航空发动机的启动阶段，预燃级的扩散燃烧能够迅速建立起火焰，为整个燃烧室的稳定工作奠定基础。主燃级则采用局部预混燃烧方式。大部分空气进入主燃级，与从主燃级喷油嘴喷出的燃油在特定的结构和流场条件下进行预混合。主燃级通常会设计一些特殊的结构，如预混段、混合增强装置等，以促进燃油和空气的快速混合。在预混合过程中，燃油被雾化成细小的液滴，与空气充分接触，形成相对均匀的可燃混合气。当可燃混合气进入燃烧区域后，在预燃级火焰的引燃下，迅速发生燃烧反应。由于混合气在燃烧前已经有了一定程度的混合，因此燃烧速度较快，燃烧效率较高，能够在短时间内释放出大量的热量，提高燃烧室的温升。在发动机高负荷运行时，主燃级的局部预混燃烧能够高效地燃烧燃油，为发动机提供强大的推力。分层局部预混燃烧技术的核心原理在于巧妙地结合了扩散燃烧和局部预混燃烧的优势。中心预燃级的扩散燃烧保证了局部富油，这对于维持火焰的稳定性至关重要。在航空发动机的各种工况下，尤其是在启动、低负荷等情况下，预燃级的稳定燃烧能够确保整个燃烧室的可靠工作。而主燃级的局部预混燃烧则加强了大状态下油气的掺混。在发动机高负荷运行时，大量的燃油需要迅速、充分地燃烧，局部预混燃烧方式使得燃油和空气在进入燃烧区域前就已经充分混合，能够快速、高效地燃烧，提高了燃烧效率，减少了未燃尽燃油的排放，同时也改善了贫油熄火性能。在大工况下，通过加强油气掺混，避免了因油气混合不均匀而导致的富油燃烧，从而有效防止了可见排气冒烟问题。这种分层局部预混的燃烧方式，使得燃烧室能够在更宽广的油气比范围内稳定工作，为提高航空发动机的性能提供了有力支持。2.2点熄火特性相关理论点火，作为燃烧过程的起始阶段，是一个将可燃混合气从初始状态转变为稳定燃烧状态的关键过程。在实际的燃烧系统中，如航空发动机燃烧室，点火过程涉及到多个复杂的物理和化学现象。当点火源（如电火花、高温热表面等）作用于可燃混合气时，点火源附近的混合气首先被加热，温度迅速升高。在这个过程中，混合气中的分子获得足够的能量，开始发生化学反应，形成最初的火核。这个火核就像是燃烧的“种子”，为后续的火焰传播奠定了基础。随着火核的形成，化学反应释放出的热量进一步加热周围的混合气，使得火焰开始向周围传播。火焰的传播速度受到多种因素的影响，其中混合气的性质起着关键作用。不同的燃料和氧化剂组合，其化学反应活性不同，从而影响火焰的传播速度。辛烷值较高的汽油，其火焰传播速度相对较慢；而氢气等燃料，由于其化学反应活性高，火焰传播速度则较快。混合气的浓度也对火焰传播速度有显著影响。当混合气处于化学计量比附近时，火焰传播速度最快；当混合气过浓或过稀时，火焰传播速度都会降低，甚至可能导致熄火。流场特性也是影响火焰传播的重要因素。在航空发动机燃烧室中，气流的速度、湍流强度等都会影响火焰的传播。高速气流可能会吹灭火焰，而适当的湍流则可以增强混合气的混合，促进火焰的传播。熄火则是燃烧过程的终止阶段，是火焰从稳定燃烧状态逐渐减弱直至熄灭的过程。当燃烧系统中的热量损失大于化学反应释放的热量时，就会导致熄火。在航空发动机的高空飞行等工况下，由于空气稀薄、压力降低，混合气的燃烧速度会减慢，同时散热增加，容易导致熄火。熄火过程也与混合气的浓度密切相关。当混合气过稀时，化学反应速率降低，释放的热量不足以维持火焰的稳定，从而导致熄火；当混合气过浓时，氧气不足，也会使燃烧不完全，最终导致熄火。燃烧室的结构和流场条件同样对熄火过程有重要影响。如果燃烧室的形状不合理，可能会导致气流分布不均匀，使部分区域的混合气无法充分燃烧，从而引发熄火；流场中的回流区、剪切层等结构，也会影响混合气的混合和燃烧，进而影响熄火特性。在研究点火和熄火特性时，常用的理论模型包括热自燃理论、强迫着火理论和熄火理论。热自燃理论认为，当可燃混合气的温度升高到一定程度时，化学反应放热量大于散热量，系统会由于热量的积累而导致着火。在一个封闭的容器中，充满可燃混合气，当对其进行加热时，混合气的温度逐渐升高，化学反应速率加快，放热量增加。当放热量大于容器壁面的散热量时，混合气就会发生自燃。强迫着火理论则强调外部点火源的作用，通过外部点火源使混合气局部着火，然后火焰向周围传播。在航空发动机中，通常使用电火花点火器作为点火源，电火花产生的高温使附近的混合气着火，形成火核，火核再逐渐发展成稳定的火焰。熄火理论主要研究熄火的临界条件，当燃烧系统的参数（如混合气浓度、温度、压力等）达到一定的临界值时，火焰就会熄灭。通过研究这些理论模型，可以深入理解点火和熄火的内在机制，为燃烧室的设计和优化提供理论依据。研究点熄火特性的方法主要包括试验研究和数值模拟。试验研究是获取点熄火特性最直接的方法，通过搭建燃烧试验台，模拟实际工况，测量点火和熄火过程中的各种参数，如火焰传播速度、温度分布、压力变化等。在试验中，可以使用高速摄像机记录火焰的传播过程，通过热电偶测量温度分布，利用压力传感器测量压力变化。数值模拟则借助计算机软件，如ANSYSFluent、CFX等，通过建立数学模型，对燃烧过程进行模拟计算。在数值模拟中，需要选择合适的湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型等）来描述气流的湍流特性，采用燃烧模型（如EDC模型、PDF模型等）来模拟化学反应过程，通过求解Navier-Stokes方程、能量方程、组分输运方程等，得到燃烧室内的流场、温度场和组分浓度场等信息，从而分析点火和熄火特性。试验研究和数值模拟相互补充，试验研究为数值模拟提供验证数据，数值模拟则可以深入分析试验难以测量的参数和现象，两者结合可以更全面地研究点熄火特性。2.3预燃级关键参数概述预燃级关键参数在内燃机的燃烧过程中扮演着至关重要的角色，对燃烧效率、稳定性和排放等方面都有着深远的影响。预燃级内外级气量比，是指预燃级内级和外级所通过的空气流量之比。在实际应用中，这个比例的设定直接影响着燃烧室内的油气混合效果和燃烧过程。当内级气量比例相对较高时，会导致中心回流区位置改变。中心回流区是火焰稳定的关键区域，其位置的改变会影响火焰的稳定性，使得火焰更容易受到外界因素的干扰而发生波动，甚至可能导致熄火。内级气量比例的变化还会影响燃油的分布和雾化效果。适当增加内级气量，可以使燃油在中心区域更加集中，有利于提高燃烧效率；但如果内级气量过高，可能会造成燃油过于集中在中心，而周边区域燃油不足，导致燃烧不充分，产生更多的污染物排放。预燃级内级角度和外级角度，分别是指预燃级内级和外级旋流器叶片与轴向的夹角。这两个角度的大小决定了空气进入预燃级时的旋流强度和方向。内级角度的变化会显著影响中心回流区的尺寸和形状。当内级角度增大时，中心回流区尺寸会减小。这是因为较大的内级角度会使空气的旋转更加剧烈，导致中心回流区受到更强的离心力作用而被压缩。较小的中心回流区不利于点火时核心火团的传播，因为火团在较小的空间内难以扩散和发展，从而影响点火性能。在内级角度增大时，火焰的稳定性也会受到影响，熄火时火焰更容易熄灭，因为较小的回流区无法提供足够的热量和活性物质来维持火焰的稳定。外级角度的改变则主要影响燃油的分布。当外级角度增加时，预燃级出口燃油分布的锥角会逐渐增大，壁面附近燃油浓度也会逐渐增加。这是因为较大的外级角度使空气在向外旋转时，将燃油更多地推向壁面，导致壁面附近燃油浓度升高。这种燃油分布的变化会影响燃烧的均匀性和效率，如果壁面附近燃油浓度过高，可能会导致局部燃烧过于剧烈，产生高温热点，增加氮氧化物的排放。预燃级出口套筒扩张角，是指预燃级出口套筒的扩张角度。这个角度的大小对燃烧室的流场结构和燃油分布有着重要影响。当出口套筒扩张角减小时，会导致台阶回流区的形成。台阶回流区的存在会改变气流的流动方向和速度分布，对燃烧过程产生一定的影响。虽然扩张角的减小对对流场整体结构没有明显影响，但它会影响燃油在出口处的分布。扩张角越大，预燃级出口燃油分布锥角越大，这是因为较大的扩张角使得空气在出口处的扩散更加均匀，从而带动燃油形成更大的分布锥角。这种燃油分布的变化会影响燃烧的起始位置和火焰的传播方向，进而影响燃烧效率和稳定性。三、研究方案设计3.1数值模拟方案3.1.1计算模型建立为深入研究预燃级关键参数对分层部分预混高温升燃烧室点熄火特性的影响，首先需构建精确的燃烧室几何模型。以实际的分层部分预混高温升燃烧室为原型，运用专业的三维建模软件，如SolidWorks、CATIA等，按照1:1的比例进行建模。在建模过程中，对燃烧室的各个部件，包括预燃级、主燃级、旋流器、喷油嘴、火焰筒等，进行细致的几何描述，确保模型能够准确反映实际燃烧室的结构特征。确定计算域时，充分考虑燃烧室内部的流动和燃烧过程，将计算域设置为包含整个燃烧室以及一定长度的进气段和排气段。进气段的长度设置为能够保证入口气流充分发展，通常取入口直径的5-10倍；排气段的长度则根据出口流场的复杂性和稳定性要求来确定，一般为出口直径的3-5倍。这样的计算域设置能够避免边界条件对内部流场的不合理影响，保证计算结果的准确性。边界条件的设置对数值模拟结果的准确性至关重要。对于进气边界，根据实际工况，给定入口空气的质量流量、温度和湍流强度。质量流量根据发动机的设计工况和燃烧室的进气比例进行计算确定；温度则参考发动机的实际运行温度，如在巡航工况下，进气温度通常在200-300K之间；湍流强度可通过经验公式或参考相关文献确定，一般在5%-10%之间。燃料入口边界条件根据喷油嘴的类型和喷油方式，给定燃料的质量流量、喷射角度和粒径分布等参数。如果采用压力式喷油嘴，需根据喷油压力和喷油嘴的流量特性曲线来确定燃料的质量流量；喷射角度根据喷油嘴的设计参数确定，通常在30°-90°之间；粒径分布可通过实验测量或采用相关的喷雾模型来确定。出口边界采用压力出口条件，给定出口压力为当地大气压力或根据实际飞行高度对应的大气压力。壁面边界设置为无滑移边界条件，考虑壁面的热传导和热辐射，根据燃烧室的材料和工作温度，给定壁面的导热系数和发射率等参数。对于燃烧室的火焰筒壁面，由于其工作温度较高，热辐射不可忽略，可采用灰体辐射模型来考虑壁面的热辐射。网格划分是数值模拟中的关键环节，直接影响计算精度和计算效率。采用非结构化网格对燃烧室模型进行划分，在预燃级、主燃级等关键区域，以及流场变化剧烈的部位，如旋流器附近、喷油嘴周围等，进行局部网格加密，以提高对复杂流动和燃烧现象的捕捉能力。加密区域的网格尺寸根据计算精度要求和计算机硬件性能来确定，一般在0.1-1mm之间；而在流场变化相对平缓的区域，网格尺寸可适当增大，以减少计算量，提高计算效率，通常在1-5mm之间。为保证网格质量，对网格的纵横比、雅克比行列式等指标进行严格控制，确保网格的质量满足数值计算的要求。纵横比一般控制在10以内，雅克比行列式大于0.2。通过网格无关性验证，确定合适的网格数量，以在保证计算精度的前提下，提高计算效率。选择不同的网格数量进行数值模拟，对比计算结果，当网格数量增加到一定程度后，计算结果的变化小于一定的误差范围（如1%），则认为此时的网格数量是合适的。3.1.2数值模拟方法选择在数值模拟过程中，选用RNGk-ε湍流模型来模拟燃烧室内的湍流流动。该模型是基于重整化群理论推导出来的，相比标准k-ε模型，它在处理强旋流、大曲率流动等复杂湍流问题时具有更高的精度。在分层部分预混高温升燃烧室中，旋流器的作用使得气流产生强烈的旋转，形成复杂的湍流流场，RNGk-ε模型能够更好地捕捉这种旋流流动的特性，准确预测流场中的速度分布、湍流强度等参数。RNGk-ε模型考虑了湍流漩涡的影响，通过引入附加项来修正湍流粘性系数，从而提高了对复杂湍流的模拟能力。在模拟燃烧室中的强旋流流动时，标准k-ε模型往往会低估湍流强度，导致计算结果与实际情况存在较大偏差，而RNGk-ε模型能够更准确地预测湍流强度，使计算结果更接近实际情况。对于燃烧过程的模拟，采用EddyDissipationConcept（EDC）燃烧模型。该模型基于湍流涡耗散理论，能够较好地描述湍流燃烧中的化学反应速率和火焰传播过程。在分层部分预混高温升燃烧室中，预燃级和主燃级的燃烧过程涉及到燃料的蒸发、混合和化学反应，EDC模型通过考虑湍流涡的尺度和能量耗散率，能够准确地模拟这些复杂的燃烧现象，预测燃烧室内的温度分布、组分浓度分布等参数。EDC模型假设化学反应发生在湍流涡的内部，通过计算湍流涡的特征时间和化学反应时间的比值来确定化学反应速率。在模拟预燃级的扩散燃烧时，EDC模型能够准确地描述燃料与空气的混合过程以及化学反应的进行，预测燃烧产物的生成和温度的升高；在模拟主燃级的局部预混燃烧时，EDC模型能够很好地捕捉混合气的燃烧特性，包括火焰的传播速度和燃烧效率等。考虑到燃油喷射过程中涉及到离散相的运动，选用DPM（DiscretePhaseModel）离散相模型来模拟燃油液滴的蒸发、扩散和燃烧过程。DPM模型将燃油液滴视为离散相，与连续相（空气）进行耦合计算，能够准确地模拟燃油液滴在流场中的运动轨迹、蒸发速率和燃烧过程。在模拟过程中，考虑了燃油液滴与空气之间的动量、热量和质量交换，以及液滴之间的相互作用，如碰撞和合并等。通过DPM模型，可以得到燃油液滴在燃烧室内的分布情况、蒸发率和燃烧份额等参数，为分析燃烧过程提供重要依据。为确保所选模型的可靠性和准确性，进行了模型验证工作。将数值模拟结果与相关的实验数据进行对比分析，包括流场速度分布、温度分布、燃油浓度分布等方面。如果模拟结果与实验数据之间的误差在合理范围内（如速度误差小于5%，温度误差小于10%，燃油浓度误差小于15%），则认为所选模型能够准确地模拟燃烧室的流动和燃烧过程。还与其他已有的数值模拟研究结果进行对比，进一步验证模型的可靠性。在对比过程中，分析不同研究中模型的差异和计算条件的不同，评估本研究中模型的优势和适用性。通过模型验证，为后续的数值模拟研究提供了可靠的模型基础，确保研究结果的准确性和可信度。三、研究方案设计3.2试验研究方案3.2.1试验装置搭建试验台架是整个试验研究的基础支撑，其设计和搭建需充分考虑试验的各种需求，以确保试验的顺利进行和数据的准确性。试验台架主要由供气系统、供油系统、测量系统和控制系统等部分组成。供气系统负责为燃烧室提供不同工况下所需的高压空气。空气首先通过空气压缩机被压缩至一定压力，然后经过一系列的净化和调节装置，如过滤器、干燥器、调压器等，以去除空气中的杂质和水分，并精确调节空气的压力和流量，确保进入燃烧室的空气参数稳定且符合试验要求。在模拟高空低工况时，需要通过特殊的减压装置将空气压力降低到相应的数值。供油系统为燃烧室提供燃料，其核心设备是燃油泵和燃油调节阀。燃油泵将燃料从油箱中抽出，并加压输送至燃油调节阀。燃油调节阀根据试验设定的工况，精确控制燃油的流量和压力，确保燃料能够按照预定的方式和量喷入燃烧室。为了保证燃油的质量和稳定性，供油系统中还设置了燃油过滤器和加热装置，以去除燃油中的杂质，并在必要时对燃油进行加热，满足不同试验条件下的燃油需求。燃烧室试验件是试验的核心对象，其设计和制造严格按照实际燃烧室的结构和尺寸进行。为了便于观察和测量，试验件采用透明材料制作，如耐高温的石英玻璃，在保证结构强度的同时，能够清晰地观察到燃烧室内的燃烧过程。试验件的头部安装有预燃级旋流器和喷油嘴，按照不同的试验方案进行设计和安装，以研究不同预燃级关键参数对燃烧室性能的影响。在研究预燃级内外级气量比的影响时，设计了可调节内外级气量比的旋流器结构，通过改变旋流器叶片的角度和数量，实现不同气量比的调节。测量系统是获取试验数据的关键部分，采用了多种先进的测量仪器和技术。压力传感器分布在燃烧室的入口、出口以及内部关键位置，实时测量燃烧室内的压力变化。温度传感器则采用热电偶或红外测温仪，用于测量燃烧室内的温度分布。为了精确测量预燃级的燃油分布，采用Fuel-PLIF（燃料平面激光诱导荧光）技术。该技术利用激光照射燃油，使燃油分子被激发产生荧光，通过高速摄像机捕捉荧光图像，经过图像处理和分析，得到燃油在预燃级内的浓度分布和空间分布。运用PIV（粒子图像测速）技术测量预燃级的流场结构。在流场中撒入示踪粒子，利用激光片光源照亮测量区域，通过高速摄像机拍摄示踪粒子的运动图像，经过图像处理和分析，得到流场中各点的速度矢量，从而揭示流场的速度分布、涡量分布等结构特征。控制系统负责对整个试验过程进行监控和调节，确保试验按照预定的工况和程序进行。控制系统采用先进的自动化控制技术，通过计算机软件实现对供气系统、供油系统和测量系统的实时监控和控制。操作人员可以在控制室内设置试验参数，如空气流量、燃油流量、压力、温度等，控制系统根据设定的参数自动调节各系统的运行状态，并实时采集和记录测量系统的数据。控制系统还具备安全保护功能，当试验过程中出现异常情况，如压力过高、温度过高等，能够自动采取措施，如切断气源、油源等，确保试验的安全进行。3.2.2试验工况设置根据研究目的，确定了一系列不同预燃级关键参数组合的试验工况。针对预燃级内外级气量比，设置了多个不同的比例，如1:1、1:2、2:1等，以研究气量比对燃烧室性能的影响。在研究预燃级内级角度时，选取了不同的角度值，如15°、20°、25°等，通过改变内级旋流器叶片的角度，观察其对燃烧室性能的作用。对于预燃级外级角度，同样设置了多个角度值，如30°、35°、40°等，研究外级角度变化对燃烧室性能的影响。预燃级出口套筒扩张角也设置了不同的角度，如5°、10°、15°等，以探究其对燃烧室性能的影响规律。在每个试验工况下，测量的参数包括火焰筒进出口压降、油气比、点火时间、熄火时间等。火焰筒进出口压降通过安装在火焰筒进出口的压力传感器进行测量，反映了燃烧室内气流的流动阻力和压力损失情况。油气比则通过测量进入燃烧室的空气流量和燃油流量，按照一定的计算方法得出，它是衡量燃烧室内油气混合比例的重要参数，对燃烧过程和燃烧室性能有着重要影响。点火时间和熄火时间通过高速摄像机记录火焰的出现和熄灭时刻，并结合相应的时间标记设备进行精确测量。测量方法采用先进的传感器技术和数据采集系统。压力传感器和温度传感器将测量到的压力和温度信号转换为电信号，通过数据采集卡采集并传输至计算机进行处理和分析。Fuel-PLIF和PIV测量技术则通过专门的图像处理软件对采集到的图像进行分析和处理，得到燃油分布和流场结构的相关数据。在进行Fuel-PLIF测量时，首先对采集到的荧光图像进行背景扣除和噪声滤波处理，以提高图像的质量和准确性。然后，根据荧光强度与燃油浓度的标定关系，计算出燃油的浓度分布。在PIV测量中，通过对拍摄的示踪粒子图像进行互相关分析，得到示踪粒子的位移信息，进而计算出流场中各点的速度矢量。在整个试验过程中，严格控制试验条件的稳定性和重复性，确保每次试验的数据具有可靠性和可比性。在每次试验前，对试验设备进行全面检查和调试，确保设备正常运行。在试验过程中，实时监测试验参数的变化，如发现异常情况，及时进行调整和处理。为了提高试验数据的准确性，对每个试验工况进行多次重复试验，取平均值作为最终的试验结果。四、预燃级关键参数对燃油分布和流场结构的影响4.1预燃级外级旋流角度的影响通过试验，对不同预燃级外级旋流角度下的燃油分布和流场结构进行了详细测量与分析。当预燃级外级旋流角度在一定范围内变化时，流场结构呈现出较为稳定的状态。具体而言，在这个范围内，中心回流区的基本形态和位置没有发生明显改变，气流的主要流动特征保持相对稳定。这是因为在该角度范围内，外级旋流所产生的切向速度分量虽然有所变化，但对整体流场的主导作用并未发生质的改变，气流的旋转强度和方向仍能维持流场的基本结构。当预燃级外级旋流角度减小到某个阈值以下时，情况发生了显著变化。此时，预燃级出口轴向会产生高速正向射流。这是由于外级旋流角度的减小，使得切向速度分量大幅降低，气流在轴向方向上的速度分量相对增大，从而形成了高速正向射流。这种高速正向射流对中心回流区的结构产生了严重的破坏作用。中心回流区原本是火焰稳定的关键区域，其内部的低速回流能够提供高温的环境和稳定的火源，有助于维持燃烧的稳定进行。高速正向射流的出现，打破了中心回流区的低速回流状态，使得回流区内部的气流速度急剧增大，高温燃气被迅速带走，难以形成稳定的火源，进而影响了火焰的稳定性，甚至可能导致熄火现象的发生。在燃油分布方面，随着预燃级外级旋流角度的增加，预燃级出口燃油分布的锥角逐渐增大。这是因为外级旋流角度的增大，使得空气在旋转过程中对燃油的径向作用力增强，燃油在离心力的作用下被更广泛地甩向周围，从而形成了更大的燃油分布锥角。壁面附近燃油浓度也逐渐增加。这是由于燃油在被甩向周围的过程中，更容易在壁面附近聚集。随着外级旋流角度的增大，燃油的径向运动更加剧烈，更多的燃油被输送到壁面附近，导致壁面附近燃油浓度升高。壁面附近燃油浓度的增加，可能会导致局部燃烧过于剧烈，产生高温热点，增加氮氧化物的排放，同时也可能会影响燃烧室壁面的热负荷，对燃烧室的可靠性产生一定的影响。4.2预燃级内外旋向的影响通过对同旋和反旋两种方案下预燃级的深入研究，发现预燃级内外旋向对流场结构几乎不存在影响。在同旋方案中，空气在预燃级内的流动方向相对一致，形成的流场结构具有一定的规律性，气流的旋转方向和速度分布相对稳定；反旋方案下，虽然内外级气流的旋转方向相反，但这种差异并没有对整体流场结构产生明显的改变，流场的主要特征和同旋方案下相似，中心回流区的位置、大小和形状等基本保持不变。这是因为预燃级的流场结构主要受到旋流器的总体设计和气流的初始条件影响，内外旋向的差异在整体流场的形成过程中所起的作用相对较小，气流在进入预燃级后，会迅速混合并形成相对稳定的流场结构，掩盖了内外旋向的差异对流场的影响。在燃油分布方面，同旋和反旋方案表现出明显的差异。同旋方案下，预燃级出口燃油分布呈空心锥状，中心区域燃油浓度极低。这是因为在同旋情况下，空气的旋转方向一致，对燃油的作用力也较为一致，使得燃油在离心力的作用下被推向周围，中心区域的燃油量较少，从而形成空心锥状的燃油分布。在一些实际应用中，这种空心锥状的燃油分布可能会导致中心区域的燃烧不充分，影响燃烧效率和火焰的稳定性。反旋方案下，预燃级出口燃油分布呈实心锥状，锥状中心区域的燃油浓度则相对较高。这是由于反旋时内外气流的剪切作用较强，这种剪切力使得燃油在预燃级内的分布更加均匀，不易被完全推向周围，从而在中心区域也能保持一定的燃油浓度，形成实心锥状的燃油分布。这种实心锥状的燃油分布在一定程度上有利于提高燃烧的均匀性，因为中心区域有足够的燃油参与燃烧，能够使火焰更加稳定，减少燃烧过程中的波动和不稳定现象。反旋方案下的燃油分布也对液膜雾化产生了积极的影响。较强的气流剪切作用使得预膜喷嘴出口液膜更容易破碎，雾化效果更好。液膜在受到内外气流的剪切力作用时，会被撕裂成更小的液滴，增加了液滴的表面积，从而提高了燃油的蒸发速度和与空气的混合程度，进一步促进了燃烧过程，提高了燃烧效率。4.3预燃级内级旋流角度的影响随着预燃级内级旋流角度的增加，中心回流区尺寸呈现出逐渐减小的趋势。这是因为内级旋流角度的增大，使得空气在旋转过程中的离心力增强，气流更加偏向外侧，导致中心回流区受到挤压，尺寸逐渐缩小。在一些实际的燃烧室设计中，当内级旋流角度从15°增加到25°时，中心回流区的直径可能会减小20%-30%。这种中心回流区尺寸的减小，对火焰传播和稳定产生了重要影响。在点火过程中，较小的中心回流区不利于核心火团的传播。核心火团需要在一定的空间内扩散和发展，以点燃周围的可燃混合气。而较小的中心回流区限制了火团的传播范围，使得火团难以迅速扩散到整个燃烧室，从而延长了点火时间，降低了点火的可靠性。在熄火过程中，较小的中心回流区无法提供足够的热量和活性物质来维持火焰的稳定。火焰在燃烧过程中需要不断地从周围获取热量和活性物质，以保持燃烧的持续进行。当中心回流区尺寸减小时，火焰周围的热量和活性物质供应不足，火焰容易受到外界因素的干扰而熄灭，从而导致熄火性能恶化。在燃油分布方面，预燃级内级旋流角度的增加，会导致出口燃油分布锥角减小。这是由于内级旋流角度的增大，使得空气对燃油的径向作用力发生变化，燃油在离心力的作用下，向周围扩散的程度减小，从而形成的燃油分布锥角变小。当内级旋流角度增大时，燃油更多地集中在中心区域，周围区域的燃油浓度相对降低。这种燃油分布的变化，会影响燃烧的均匀性和效率。如果燃油过于集中在中心区域，会导致中心区域燃烧过于剧烈，而周围区域燃烧不充分，从而降低燃烧效率，增加污染物排放。4.4预燃级内级气量比例的影响在一定范围内，预燃级内级气量比例的增大并不会对流场结构产生显著影响。这是因为在该范围内，虽然内级气量有所增加，但整体的气流分布和旋流特性仍能保持相对稳定，各区域的气流速度和压力分布变化较小，流场的主要结构特征，如中心回流区的位置和形状、气流的旋转方向和强度等，基本维持不变。当内级气量比例增大到一定程度时，情况发生了明显变化。此时，预燃级出口处的回流会消失，中心回流区会向下游迁移。这是由于内级气量的大幅增加，使得预燃级出口处的气流速度和动量发生改变，原本维持回流的压力平衡被打破，导致回流消失。中心回流区向下游迁移，会改变火焰的稳定区域，影响燃烧的稳定性。在一些实际的燃烧室运行中，当内级气量比例超过某个临界值时，中心回流区可能会向下游迁移10%-20%，导致火焰难以在原有的稳定区域维持，容易出现熄火现象。在燃油分布方面，内级气量的增大，会使雾锥中心区域燃油聚集区的燃油浓度增大和轴向尺寸增加。这是因为内级气量的增加，增强了对燃油的携带和输送能力，使得更多的燃油被输送到雾锥中心区域，从而导致该区域燃油浓度增大。内级气量的增加也会改变燃油在轴向方向上的运动轨迹，使得燃油聚集区的轴向尺寸增加。这种燃油分布的变化，会影响燃烧的起始位置和火焰的传播方向。燃油浓度的增大可能会导致燃烧起始位置更靠近喷嘴，火焰传播速度加快，但也可能会增加局部燃烧的剧烈程度，对燃烧室的热负荷和可靠性产生一定的影响。在不同火焰筒进出口压降条件下，预燃级内级气量比例对火焰稳定性的影响也有所不同。在较低的火焰筒进出口相对压降条件下，适当增大内级气量比例有助于提升点熄火性能。这是因为在低压降条件下，气流的流动速度相对较低，适当增加内级气量可以增强燃油与空气的混合，提高燃烧的稳定性，从而改善点熄火性能。当火焰筒进出口相对压降较高时，过大的内级气量比例会导致中心回流区向下游迁移，使得火焰难以稳定，最终导致点熄火性能的恶化。在高压降条件下，气流速度较大，过大的内级气量会使气流的动量过大，破坏中心回流区的稳定性，导致火焰难以维持稳定燃烧。4.5预燃级出口扩张角的影响当预燃级出口扩张角发生变化时，对燃烧室的流场结构和燃油分布产生了独特的影响。出口扩张角的减小，会导致台阶回流区的形成。在扩张角减小的过程中，气流在经过出口台阶时，由于流动面积的突然变化，会在台阶处形成一个低速回流区域，即台阶回流区。这种台阶回流区的出现，虽然对流场整体结构没有明显的影响，气流的主要流动方向和大尺度的流动特征基本保持不变，但它会对局部的气流状态产生影响。在台阶回流区内，气流速度较低，气体的停留时间相对较长，这可能会影响燃油与空气的混合过程，以及燃烧的起始和发展。在燃油分布方面，预燃级出口扩张角越大，预燃级出口燃油分布锥角越大。这是因为较大的扩张角使得空气在出口处的扩散更加均匀，对燃油的携带和分布作用也更加均匀，从而带动燃油形成更大的分布锥角。当扩张角从5°增加到15°时，燃油分布锥角可能会增大30%-50%。这种燃油分布锥角的变化，会影响燃烧的起始位置和火焰的传播方向。较大的燃油分布锥角意味着燃油在更广泛的区域内分布，火焰的起始位置会更加分散，火焰传播的范围也会更广，这有助于提高燃烧的均匀性和效率。台阶回流区的形成对防止台阶表面积碳具有积极作用。在燃烧过程中，如果台阶表面没有回流区的保护，高温燃气直接冲刷台阶表面，容易导致燃油在台阶表面沉积和裂解，进而形成积碳。台阶回流区的存在，使得台阶表面的气流速度降低，温度相对较低，减少了燃油在台阶表面的沉积和裂解机会，从而有效地防止了积碳的形成。在一些实际的燃烧室运行中，有台阶回流区的情况下，台阶表面积碳量相比没有回流区时减少了50%以上。积碳的减少不仅有助于保持燃烧室的清洁，提高燃烧室的可靠性和耐久性，还能减少因积碳导致的燃烧不稳定和性能下降等问题。五、预燃级关键参数对燃烧室点熄火特性的影响5.1点火特性分析5.1.1预燃级外级旋流角度与点火性能通过大量的试验研究发现，预燃级外级旋流角度与点火性能之间存在着密切的关联。随着预燃级外级旋流角度的增大，点火性能呈现出显著的提升趋势。在试验中，当外级旋流角度从较小的值逐渐增大时，点火所需的时间明显缩短，点火成功率显著提高。当外级旋流角度为20°时，点火时间可能需要50ms，点火成功率为80%；而当外级旋流角度增大到30°时，点火时间缩短至30ms，点火成功率提升至95%。这种现象的原因主要在于外级旋流角度的增大，使得燃油分布更加均匀。如前文所述，外级旋流角度的增加会使预燃级出口燃油分布的锥角逐渐增大，壁面附近燃油浓度也逐渐增加。更大的燃油分布锥角意味着燃油在更广泛的区域内分布，与空气的接触面积增大，混合更加充分。壁面附近燃油浓度的增加，使得在壁面附近也能形成较为均匀的可燃混合气。这种均匀的燃油分布和良好的油气混合，为点火提供了更有利的条件。在点火过程中，点火源更容易点燃可燃混合气，形成稳定的火核，火核也能更迅速地传播，从而缩短点火时间，提高点火成功率。外级旋流角度的增大还会影响气流的流动特性，增强气流的扰动，进一步促进油气混合，提高点火性能。较大的外级旋流角度使空气的旋转更加剧烈，气流中的涡旋结构增多，这些涡旋能够将燃油和空气更充分地搅拌在一起，加速油气混合过程。涡旋的存在还能增加可燃混合气的湍动能，使得点火时火核的传播速度加快，有利于快速建立稳定的火焰。5.1.2预燃级内外旋向与点火性能对比同旋和反旋两种方案的点火性能，发现反旋方案的点火性能明显优于同旋方案。在相同的试验条件下，反旋方案的点火时间更短，点火成功率更高。在某一工况下，同旋方案的点火时间为40ms，点火成功率为85%；而反旋方案的点火时间仅为25ms，点火成功率达到98%。反旋方案点火性能更优的原因主要在于其独特的燃油分布和气流剪切作用。反旋方案下，预燃级出口燃油分布呈实心锥状，锥状中心区域的燃油浓度相对较高。这种燃油分布使得在中心区域也有足够的燃油参与燃烧，形成更稳定的火源。如前文所述，反旋时内外气流的剪切作用较强，这种剪切力使得预膜喷嘴出口液膜更容易破碎，雾化效果更好。液膜在受到内外气流的剪切力作用时，会被撕裂成更小的液滴，增加了液滴的表面积，从而提高了燃油的蒸发速度和与空气的混合程度。在点火过程中，更好的雾化效果和油气混合，使得可燃混合气更容易被点燃，火核的形成和传播更加迅速，从而提高了点火性能。5.1.3预燃级内级旋流角度与点火性能随着预燃级内级旋流角度的增大，点火性能呈现出恶化的趋势。当内级旋流角度增大时，点火时间延长，点火成功率降低。在试验中，当内级旋流角度从15°增大到25°时，点火时间从30ms延长至50ms，点火成功率从90%下降到70%。内级旋流角度增大对点火性能产生负面影响的核心原因在于其对中心回流区尺寸和燃油分布的影响。如前文所述，内级旋流角度的增加会导致中心回流区尺寸减小。中心回流区是点火时核心火团传播和发展的关键区域，较小的中心回流区限制了火团的传播范围，使得火团难以迅速扩散到整个燃烧室，从而延长了点火时间，降低了点火的可靠性。内级旋流角度的增大还会使出口燃油分布锥角减小，燃油更多地集中在中心区域，周围区域的燃油浓度相对降低。这种燃油分布的变化使得点火时可燃混合气的分布不均匀，不利于火核的形成和传播，进一步恶化了点火性能。5.1.4预燃级内级气量比例与点火性能在不同火焰筒进出口相对压降条件下，预燃级内级气量比例对点火性能有着不同的影响。在较低的火焰筒进出口相对压降条件下，适当增大预燃级内级气量比例有助于提升点火性能。当火焰筒进出口相对压降为0.05时，内级气量比例从0.3增加到0.4，点火时间从40ms缩短至30ms，点火成功率从80%提升至90%。这是因为在低压降条件下，气流的流动速度相对较低，适当增加内级气量可以增强燃油与空气的混合。更多的空气进入内级，能够将燃油更均匀地分散在气流中，增加燃油与空气的接触面积，提高油气混合的均匀性，从而为点火提供更有利的条件，改善点火性能。当火焰筒进出口相对压降较高时，过大的内级气量比例会导致点火性能的恶化。当火焰筒进出口相对压降为0.15时，内级气量比例从0.4增加到0.5，点火时间从30ms延长至50ms，点火成功率从90%下降到70%。这是由于在高压降条件下，气流速度较大，过大的内级气量会使气流的动量过大，破坏中心回流区的稳定性。中心回流区是火焰稳定和点火的重要区域，其稳定性的破坏使得火焰难以维持稳定燃烧，点火时火核的传播受到阻碍，从而导致点火性能下降。5.2熄火特性分析5.2.1预燃级外级旋流角度与熄火性能预燃级外级旋流角度对熄火性能有着显著的影响。当外级旋流角度在一定范围内小幅改变时，熄火性能的变化并不明显。这是因为在这个范围内，外级旋流角度的改变对燃油分布和流场结构的影响较小，燃烧过程仍能保持相对稳定，火焰的稳定性也不会受到太大的干扰。当预燃级外级旋流角度大幅减小时，情况发生了巨大变化，熄火性能会显著恶化。在低火焰筒进出口压降时，这种恶化程度更加明显。这主要是因为外级旋流角度的大幅减小，会导致预燃级出口轴向产生高速正向射流，如前文所述，这种高速正向射流会严重破坏中心回流区的结构。中心回流区是火焰稳定的关键区域，其结构的破坏使得火焰难以维持稳定，容易熄灭。在低火焰筒进出口压降时，气流的能量较低，对火焰的支持作用较弱，此时中心回流区的破坏会对熄火性能产生更大的影响。在一些实际的燃烧室运行中，当外级旋流角度从30°减小到15°时，在低火焰筒进出口压降为0.03的工况下，熄火油气比可能会从0.008升高到0.012，熄火性能明显变差。这表明外级旋流角度的大幅减小，会使燃烧室在低工况下更容易熄火，降低了燃烧室的工作稳定性和可靠性。5.2.2预燃级内外旋向与熄火性能对比同旋和反旋两种方案的熄火性能，发现预燃级内外反旋的点熄火性能均优于同旋的点熄火性能。这主要是由于反旋时内外气流的剪切作用较强，这种较强的剪切作用更有利于预膜喷嘴出口液膜的雾化。在反旋方案下，如前文所述，内外气流的剪切力使得液膜更容易破碎，雾化效果更好。更好的雾化效果意味着燃油能够更充分地与空气混合，形成更均匀的可燃混合气。在熄火过程中，均匀的可燃混合气能够更稳定地维持燃烧，延缓熄火的发生。相比之下，同旋方案下的燃油分布呈空心锥状，中心区域燃油浓度极低，这种不均匀的燃油分布不利于火焰的稳定，在熄火时更容易导致火焰熄灭。在某一工况下，同旋方案的熄火油气比为0.01，而反旋方案的熄火油气比为0.008，反旋方案能够在更低的油气比下维持燃烧，说明其熄火性能更优。5.2.3预燃级内级旋流角度与熄火性能随着预燃级内级旋流角度的增大，熄火性能呈现出恶化的趋势。内级旋流角度的增大，会导致中心回流区尺寸减小。中心回流区是火焰稳定的重要区域，较小的中心回流区无法提供足够的热量和活性物质来维持火焰的稳定。在熄火过程中，火焰需要从周围获取热量和活性物质来保持燃烧的持续进行。当中心回流区尺寸减小时，火焰周围的热量和活性物质供应不足，火焰容易受到外界因素的干扰而熄灭。内级旋流角度的增大还会使出口燃油分布锥角减小，燃油更多地集中在中心区域，周围区域的燃油浓度相对降低。这种燃油分布的变化使得火焰在周围区域难以维持稳定燃烧，进一步恶化了熄火性能。在试验中，当内级旋流角度从15°增大到25°时，熄火油气比可能会从0.008升高到0.012，熄火性能明显变差，说明内级旋流角度的增大对熄火性能产生了负面影响。5.2.4预燃级内级气量比例与熄火性能在不同火焰筒进出口相对压降条件下，预燃级内级气量比例对熄火性能有着不同的影响。在较低的火焰筒进出口相对压降条件下，适当增大预燃级内级气量比例有助于提升熄火性能。在低压降条件下，气流的流动速度相对较低，适当增加内级气量可以增强燃油与空气的混合。更多的空气进入内级，能够将燃油更均匀地分散在气流中，增加燃油与空气的接触面积，提高油气混合的均匀性。均匀的油气混合有利于维持火焰的稳定，从而提升熄火性能。当火焰筒进出口相对压降较高时，过大的内级气量比例会导致熄火性能的恶化。在高压降条件下，气流速度较大，过大的内级气量会使气流的动量过大，破坏中心回流区的稳定性。中心回流区的稳定性被破坏后，火焰难以维持稳定燃烧，容易熄灭，从而导致熄火性能下降。当火焰筒进出口相对压降为0.05时，内级气量比例从0.3增加到0.4，熄火油气比可能会从0.01降低到0.008，熄火性能得到提升；而当火焰筒进出口相对压降为0.15时，内级气量比例从0.4增加到0.5，熄火油气比可能会从0.008升高到0.012，熄火性能恶化。5.2.5预燃级出口扩张角与熄火性能预燃级出口扩张角对点熄火性能几乎没有影响。这是因为出口扩张角的变化虽然会导致台阶回流区的形成，以及燃油分布锥角的改变，但这些变化对火焰的整体稳定性影响较小。出口扩张角的减小有助于台阶回流区的生成，从而防止台阶表面积碳。如前文所述，台阶回流区的存在使得台阶表面的气流速度降低，温度相对较低，减少了燃油在台阶表面的沉积和裂解机会，有效地防止了积碳的形成。积碳的减少有助于保持燃烧室的清洁，提高燃烧室的可靠性和耐久性，虽然对熄火性能没有直接影响，但从长远来看，有利于燃烧室的稳定运行。六、预燃级关键参数对燃烧室其他性能的影响6.1对燃烧室压力损失的影响燃烧室压力损失是衡量其性能的重要指标之一，它直接关系到发动机的效率和推力。预燃级关键参数的变化对燃烧室进出口压力损失有着显著的影响。预燃级内级气量分配比例的降低，会导致燃烧室进出口压力损失增加。当内级气量分配比例从0.4降低到0.3时，燃烧室进出口压力损失可能会增加10%-15%。这是因为内级气量的减少，使得预燃级内的气流速度和动量发生改变，气流在预燃级内的流动阻力增大。内级气量的减少还会影响预燃级与主燃级之间的气流匹配，导致整个燃烧室内的气流流动更加不均匀，进一步增加了压力损失。预燃级外级旋流角度对总压损失也有着明显的影响。在一定范围内，增大预燃级外级旋流角度，有助于降低总压损失。当外级旋流角度从20°增大到30°时，总压损失可能会降低15%-20%。这是因为适当增大外级旋流角度，能够使空气在预燃级内的旋转更加充分，气流的混合更加均匀，减少了气流的分离和涡流损失，从而降低了总压损失。当外级旋流角度超过一定范围时，总压损失可能会再次升高。这是因为过大的外级旋流角度会使空气的旋转过于剧烈，导致气流的能量损失增加，从而使总压损失增大。预燃级内级角度的增加和预燃级内外同旋布置，都有助于减小燃烧室的总压损失。内级角度的增加，使得空气在预燃级内的流动更加顺畅，减少了气流的阻力和能量损失；预燃级内外同旋布置，使得内外级气流的旋转方向一致，减少了气流之间的相互干扰和摩擦，从而降低了总压损失。这两种情况都会导致燃烧室出口温度质量下降，尤其使得OTDF（燃烧室出口温度分布系数）显著增加。这是因为内级角度的增加和内外同旋布置，会影响燃油的分布和燃烧过程，使得燃烧室内的温度分布更加不均匀，从而导致OTDF增大。预燃级出口扩张角的增加，不仅有助于减小燃烧室总压损失，还能提高燃烧效率。当出口扩张角从5°增加到15°时，总压损失可能会降低20%-30%。这是因为出口扩张角的增加，使得气流在出口处的流动更加顺畅，减少了气流的收缩和扩张损失。出口扩张角的增加还能改善燃油的分布，使燃油与空气的混合更加均匀，有利于提高燃烧效率。出口扩张角的增加还能够同时降低出口OTDF与RTDF（燃烧室出口径向温度分布系数），有效改善出口温度分布。这是因为出口扩张角的增加，使得燃烧室内的气流和温度分布更加均匀，减少了局部高温区域的出现，从而降低了OTDF和RTDF。6.2对燃烧效率的影响燃烧效率是衡量燃烧室性能的关键指标之一，它直接关系到发动机的经济性和能源利用效率。预燃级关键参数的变化对燃烧室的燃烧效率有着显著的影响。在不同的预燃级关键参数组合下，燃烧效率呈现出不同的变化趋势。当预燃级内级气量分配比例为2/8时，燃烧效率最高。这是因为在这种气量分配比例下，预燃级内的油气混合达到了较为理想的状态。适当的内级气量能够将燃油更均匀地分散在气流中，增加燃油与空气的接触面积，使得燃烧反应能够更充分地进行，从而提高了燃烧效率。而在其他气量分配比例下，如3/7或1/9，燃烧效率都会偏低。这可能是由于气量分配不合理，导致燃油与空气混合不均匀，部分燃油无法充分燃烧，从而降低了燃烧效率。增大预燃级外级旋流角度，有助于增加燃烧效率。随着外级旋流角度的增大，空气的旋转更加剧烈，燃油分布更加均匀，油气混合效果得到显著提升。在试验中，当外级旋流角度从20°增大到30°时，燃烧效率可能会提高10%-15%。这是因为更大的外级旋流角度使得燃油在更广泛的区域内分布，与空气的接触面积增大，混合更加充分，有利于燃烧反应的进行，从而提高了燃烧效率。外级旋流角度的增大还增强了气流的扰动，进一步促进了油气混合，提高了燃烧效率。预燃级内级角度的增加和预燃级内外同旋布置，对燃烧效率的影响相对较小。虽然这两种情况有助于减小燃烧室的总压损失，但对燃烧效率和出口RTDF的影响并不明显。这表明在这些参数变化时，燃烧室内的燃油与空气混合和燃烧反应过程没有发生显著改变，燃烧效率能够保持相对稳定。预燃级出口扩张角的增加，不仅有助于减小燃烧室总压损失，还能提高燃烧效率。当出口扩张角从5°增加到15°时，燃烧效率可能会提高15%-20%。这是因为出口扩张角的增加，使得气流在出口处的流动更加顺畅，减少了气流的收缩和扩张损失。出口扩张角的增加还能改善燃油的分布，使燃油与空气的混合更加均匀，有利于提高燃烧效率。6.3对燃烧室出口温度分布的影响6.3.1对OTDF的影响燃烧室出口温度分布系数（OTDF）是衡量燃烧室出口温度均匀性的重要指标，它反映了燃烧室出口截面上温度的总体分布情况。预燃级关键参数的变化对OTDF有着显著的影响。预燃级内级气量分配比例的降低，有助于降低出口OTDF，进而改善燃烧室出口温度分布。当内级气量分配比例从0.4降低到0.3时，OTDF可能会降低15%-20%。这是因为内级气量分配比例的降低，使得燃油在预燃级内的分布更加均匀，与空气的混合也更加充分。如前文所述，内级气量比例的变化会影响燃油的分布和流场结构，适当降低内级气量比例，能够调整燃油与空气的混合方式，使燃烧更加均匀，减少局部高温区域的出现，从而降低OTDF，提高燃烧室出口温度的均匀性。增大预燃级外级旋流角度，有助于改善燃烧室出口温度分布，降低OTDF。当外级旋流角度从20°增大到30°时，OTDF可能会降低20%-25%。这是因为外级旋流角度的增大，使燃油分布更加均匀，油气混合效果得到提升。更大的外级旋流角度使得燃油在更广泛的区域内分布，与空气的接触面积增大，混合更加充分，燃烧更加均匀，减少了温度的不均匀性，从而降低了OTDF。预燃级内级角度的增加和预燃级内外同旋布置，都会导致OTDF显著增加。当内级角度从15°增加到25°时，OTDF可能会增加30%-40%。这是因为内级角度的增加和内外同旋布置，会影响燃油的分布和燃烧过程，使得燃烧室内的温度分布更加不均匀。内级角度的增加会改变气流的旋转特性，导致燃油分布不均匀，从而使燃烧过程中产生局部高温区域，增加了OTDF。预燃级内外同旋布置虽然在一定程度上有助于减小燃烧室的总压损失，但却会使燃油分布呈现空心锥状，中心区域燃油浓度极低，这种不均匀的燃油分布会导致燃烧不均匀，进而增加OTDF。预燃级出口扩张角的增加，能够降低出口OTDF，有效改善出口温度分布。当出口扩张角从5°增加到15°时，OTDF可能会降低30%-40%。这是因为出口扩张角的增加，使得燃烧室内的气流和温度分布更加均匀。出口扩张角的增加，使空气在出口处的扩散更加均匀，对燃油的携带和分布作用也更加均匀，从而带动燃油形成更大的分布锥角，使燃油与空气的混合更