文氏管对旋流流场影响的数值研究
对于先进燃气轮机燃烧室设计来说，贫油直接喷射（LDI）正是一种比较新型的低污染燃烧技术。它是利用多点喷射将燃油直接喷入燃烧室内，与空气快速混合形成均匀贫油混气，能有效避免局部高温区，降低燃气温度，因而能抑制NOx的排放。对于LDI燃烧室设计来说，最关键的技术是对单元旋流器的设计，其中旋流器/文氏管结构就是一种较为成功的设计方案。
目前关于单元旋流器/文氏管结构的研究，大都集中在对旋流器的优化设计方面。对这种结构进行研究发现，旋流叶片角度和火焰筒-域大小对回流区形状和速度场分布有很大影响，并利用LDV（LaserDopplerVelocimetry）测量的方法对9单元LDI燃烧室流场特性进行了测试研究。发现较大的旋流角度将有助于燃油和空气的混合，旋流的存在使气、液两相间动量交换增强。试验发现减小双旋流杯一级旋流切向动量矩会使旋流杯下游流场结构发生较大变化，使油雾的索太尔平均直径（SMD）减小。对多点喷射旋流器/文氏管结构进行了数值模拟，采用k-ε湍流模型（RKE）较好地捕捉到了回流区结构，并发现当旋流数由0.82提高到1.24，回流区最大负速度和长度将分别增加52%和34%。
虽然关于文氏管口底上的文氏管方面也有大量研究，研究了文氏管扩张角和喉部长度对喷雾结构的影响，并指出流场压力损失和液滴尺寸分布主要由文氏管喉部速度决定。试验研究发现旋流杯文氏管结构的变化对燃烧室的头部流场、喷雾分布和粒径有很大的影响，进而导致点火性能差异。研究四种不同长度的文氏管结构，发现文氏管的存在对燃油的雾化有较大改善作用。对带文氏管的旋流杯燃烧室进行了试验，结果发现旋流杯出口液滴尺寸分布均匀性得到较大改善。发现旋流杯文氏管出口扩张角的变化会引起雾化流场湍动能和液滴尺寸分布不同的变化。但这些大部分研究主要着重在文氏管对燃油雾化影响方面，而对于文氏管的应用设计来说，不仅要从雾化和积碳方面考虑，而且要从回流区流场结构方面综合考虑，以便对文氏管几何结构进行优化设计，再者由于高速旋转射流流场结构本身的复杂性，以至于对旋流机理的理解还不够透彻，进而对单元旋流器/文氏管结构的优化设计来说并不容易。
本文从单元旋流器/文氏管设计的角度考虑，对双级旋流杯的文氏管部件进行改进，对比分析四种不同的单元旋流器结构特性，主要探究文氏管对燃烧室流场特性的不同影响。从回流区形状，面积大小，速度场分布和涡旋结构等方面挖掘文氏管的一些流动特性。这些研究一方面可以加深对旋流流动特性的理解，另一方面将文氏管设计作为LDI燃烧室优化设计的一个衡量因素，通过对文氏管的优化设计达到改善燃烧室性能的目的。
本文对比分析了四种不同的单元旋流器/文氏管结构的冷态流场特性，并探讨了内文氏管和外套筒扩张角度变化对燃烧室流场结构的影响，得出了如下结论：
（1）文氏管不仅对旋转射流起到过渡作用，使速度场周向分布均匀，而且使流场局部湍动能增大，有利于改善单元旋流器流场性能，但由于文氏管结构的差异会造成流场旋流强度的不同，导致回流区尺寸的变化。
（2）文氏管+套筒组合的单元旋流器相比-三种旋流器，能提供较强的旋流流场，对燃烧室进口压力调节范围也较大，一定范围内能保证流场结构的稳定，具有较好的性能优势。
（3）对于文氏管+套筒组合的旋流器，外套筒扩张角的增大能促进火焰筒内回流区的径向扩张，使回流区宽度增大；但对回流区长度和回流速度影响很小。
（4）存在一个临界的内文氏管扩张角57°使回流区出现分离，其中前回流区旋流较强，可以起稳定火焰作用，而强度较弱的后回流区有利于主流掺混，对LDI燃烧室的分阶段燃烧有重要的发展潜力。
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