文氏管扩张角度变化对回流区流场特性的影响
1、几何模型参数
分别对旋流器／文氏管结构进行了试验和数值模拟研究，具体分析了在冷态流场下文氏管扩张角度对燃油蒸发雾化方面的影响。笔者在此基础上，研究文氏管扩张角度对下游燃烧室冷态流场结构的影响，从回流区形状、涡旋的分布和速度场等方面对流动机理进行深入探讨。采用控制变量法，通过改变文氏管出口外径使文氏管扩张角度发生变化。
2、计算结果分析
由于旋流器的作用，气体经过旋流器／文氏管结构后会在火焰筒头部产生高速旋转射流，并在中心形成低压区，从而产生中央回流区。回流区一方面能保证火焰处于稳定状态，促进燃油着火燃烧，另一方面对燃油雾化和油气的掺混具有重要作用。给出了火焰筒中心截面轴向速度的分布云图，选取工况1和工况4来进行对比分析。给出了各工况回流区长度、回流区直径和最大回流速度随文氏管扩张角度的变化曲线。
由旋流器流出的旋转射流经过文氏管口底上的文氏管通道先收敛后扩张，并在火焰筒中央形成一个主回流区。但随着文氏管扩张角度的变化，回流区面积的大小、形状对称性和速度场均发生显著变化。文氏管扩张角度α较小时（如工况1对应α＝25°），主回流区集中在火焰筒中央较狭窄的区域，回流区直径较小，而随着文氏管扩张角度的增大，主回流区变得逐渐"饱满"，即回流区直径逐渐增大，回流面积也增大。文氏管扩张角度从25°增大到57°时，回流区长度和最大回流速度变化均很小，但回流区直径却逐渐增大，这说明文氏管扩张角度的变化直接影响到主回流区的径向扩张，从而导致回流区直径发生很大变化。这是因为文氏管扩张段是一个使气流减速增压的通道，随着文氏管扩张角度的增大，减速增压程度逐渐增强，使得火焰筒内逆压梯度增大，而逆压梯度是影响回流区形成和面积大小的主要因素，随着逆压梯度的增大，回流区面积逐渐增大，导致回流区直径增大，径向速度场出现2个峰值，在距文氏管出口较近处由于旋转射流较强，因而径向速度较大，之后旋流强度逐渐减小，径向速度也相应减小。此外，随着4个工况对应的文氏管扩张角度的增大，回流区内径向速度逐渐增大，这也证明了前文所述文氏管扩张角度增大使得回流区径向扩张增强，从而使回流区平均直径增大。
为工况1和工况4下火焰筒中心截面流场流线图。工况1的回流区内出现3个排列不规则的涡旋，且3个涡旋的大小和强度均有差异，正是这3个涡旋的相互作用导致回流区变得不规则，而工况4的回流区内为双涡结构，左右近似对称排列。这说明文氏管扩张角度的变化会对回流区的涡结构产生一定影响，随着文氏管扩张角度的增大，回流区内由不规则的三涡结构逐渐变为规则对称的双涡结构。
（1）文氏管扩张角度的变化对火焰筒回流区的径向扩张有一定影响，进而使回流区直径发生变化。随着扩张角度的增大，回流区直径逐渐增大，扩张角度对回流区长度和回流速度的影响很小。
（2）文氏管扩张角度的变化会使火焰筒回流区内出现双涡和三涡结构，双涡结构排列对称，而三涡结构内3个涡大小的差异使回流区不规则。
（3）随着文氏管收缩比的增大，回流区内双涡结构逐渐变为三涡和四涡结构，回流区长度和回流速度逐渐增大。
（4）对于三涡或四涡结构来说，前后排列的涡分别相当于主涡和次涡，主涡可以起稳定火焰作用，次涡可以使燃气与主流掺混均匀，这种结构在点火燃烧方面的发展潜力较大。
（5）对于燃烧室旋流器负荷调节范围来说，三涡和四涡结构相比双涡结构的负荷调节范围大，涡的结构更稳定。
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