雙駐渦穩(wěn)壘冷態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究

雙駐渦穩(wěn)壘冷態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究

1凹腔下的流場(chǎng)如果水流通過(guò)一個(gè)凹腔，腔中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)駐波。燃料在駐波中燃燒具有良好的燃燒特性，能獲得高燃燒效率和低窮人對(duì)油的吸附率，并確定凹腔壁的吸附能力可以加強(qiáng)對(duì)真空的阻塞。近期美國(guó)的研究工作顯示如果采取在凹腔前壁面底部噴入燃油,后壁面中部吹氣,凹腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)駐渦,靠主流的駐渦用于主燃,另一個(gè)凹腔底部的駐渦用于穩(wěn)定的點(diǎn)火,能夠使得凹腔駐渦取得更好的燃燒效果,其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前國(guó)外對(duì)于這樣一種結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)有了很多的成果,早期集中于單渦情況下渦的穩(wěn)定性與流場(chǎng)幾何參數(shù)之間的關(guān)系,近期大多集中于燃燒現(xiàn)象的過(guò)程及分析,但對(duì)于圖1所示的雙渦凹腔內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與具體的凹腔內(nèi)部吹氣速度之間的關(guān)系尚未進(jìn)行深入的研究。本文的工作就是通過(guò)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究凹腔在冷態(tài)下這兩個(gè)渦的穩(wěn)定性與凹腔內(nèi)部吹氣速度之間的關(guān)系,并且進(jìn)一步分析雙駐渦結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)對(duì)于駐渦燃燒室的燃燒性能將會(huì)有什么樣的影響。2研究模型2.1維研究模型為了研究的方便以及考慮到駐渦燃燒室自身結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,本文研究模型限于圖1模型沿中心對(duì)稱的下半部分。且研究中凹腔底部噴射不考慮噴射燃油的情況,換為吹入空氣以觀察其對(duì)凹腔內(nèi)流場(chǎng)的影響?；谝运龅挠懻?借鑒國(guó)外的研究成果,本文采用如圖1的二維研究模型。圖2中凹腔內(nèi)為研究的主要區(qū)域,試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇瞬糠謪^(qū)域的照片如圖3。為與文獻(xiàn)中國(guó)外研究結(jié)果對(duì)照,本文所研究凹腔模型設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50mm,高度為48mm,靠近主流進(jìn)氣口為前壁面,前壁面從底部吹氣,遠(yuǎn)離主流進(jìn)氣口的后壁面則從壁面中部吹氣,吹氣位置距離凹腔底部24mm,兩個(gè)吹氣口寬度均為1mm。本文利用PIV(particle-imagevelocimetry)對(duì)于這樣一個(gè)雙渦凹腔模型進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量工作。2.2近壁面的k-模型本文利用CFDACE軟件計(jì)算如圖3的規(guī)則矩形凹腔內(nèi)的流場(chǎng),其具體采用的方法如下:(1)采用二維直角坐標(biāo)系;(2)采用不可壓N-S方程;(3)采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型;(4)近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。計(jì)算采用的幾何結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?。?duì)稱軸、出口、固定壁面邊界的處理:對(duì)稱軸邊界比較容易處理。根據(jù)對(duì)稱定義,沒(méi)有任何流量穿過(guò)該邊界。因此,該處的徑向速度為0,其它應(yīng)變量的徑向梯度和各個(gè)應(yīng)變量的輸運(yùn)系數(shù)都等于0。由于出口位于下游足夠遠(yuǎn)的地方,可以假定出口邊界處流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展,那么除軸向速度外的其它各個(gè)應(yīng)變量的軸向梯度都等于0。由粘性流動(dòng)分析可知,固定壁面處采用無(wú)滑移條件。溫度定為300K,靜壓設(shè)為大氣壓。3ub/s時(shí)后壁面吹氣被吹氣入正b影響燃料燃燒的特性圖4為數(shù)值模擬不同的前壁面吹氣速度Uf和后壁面吹氣速度Ub下凹腔的流矢圖,所取條件為主流速度Um=20m/s,凹腔長(zhǎng)度L與凹腔前壁高df之比為50/48=1.04。圖5,圖6和圖7分別為利用PIV測(cè)量所得凹腔的流矢圖或者流線圖。其中x,y分別代表凹腔的高度和長(zhǎng)度(mm),圖例為速度場(chǎng)的值,單位為m/s。由數(shù)值模擬圖4(a)、(d)、(e)分別與實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果圖5,圖6和圖7對(duì)照看來(lái),PIV試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果符合的較好,數(shù)值模擬比較真實(shí)的反映了凹腔中的實(shí)際流場(chǎng)。流場(chǎng)圖中值得注意的特點(diǎn)有:(1)在主流、前后壁面均有吹氣情況下,凹腔存在兩個(gè)渦。(2)從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析所得到的流矢圖看來(lái),前后壁面吹氣在凹腔底部能產(chǎn)生一個(gè)較穩(wěn)定的駐渦,燃料在此燃燒能作為一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源。(3)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的流矢圖可以看出,凹腔上部的駐渦中氣流速度較大,這是由于后壁面的吹氣加強(qiáng)了上部駐渦的強(qiáng)度。(4)上部駐渦隨著主流的卷吸作用會(huì)使得主流燃料和空氣摻混劇烈,有助于燃燒。圖4(a)、(b)為只有后壁面中部吹氣的情況,由流矢圖我們明顯可以看出,當(dāng)凹腔后壁面吹氣較小時(shí),凹腔內(nèi)只有一個(gè)單駐渦,后壁面吹氣從渦的中部吹入,這時(shí)吹氣削弱了渦的穩(wěn)定性,然而隨著吹氣速度的加強(qiáng),單渦被吹氣截?cái)酁閮蓚€(gè)渦,這種流場(chǎng)情況在文獻(xiàn)中有所論述。從圖4(a)、(b)可看出這兩個(gè)渦上強(qiáng)下弱。圖4(c)為只有前壁面底部吹氣的情況,由于主流駐渦方向?yàn)轫槙r(shí)針,底部吹氣卻給了駐渦一個(gè)逆時(shí)針的流動(dòng),進(jìn)而凹腔內(nèi)產(chǎn)生了兩個(gè)渦,這樣的兩個(gè)方向相反的渦必然是相互削弱的。由圖可以看出兩個(gè)渦交界處流線模糊,此時(shí)兩個(gè)渦均處于不穩(wěn)定狀態(tài),這樣的流場(chǎng)顯然不能夠保證燃燒的穩(wěn)定。這些現(xiàn)象并沒(méi)有在相關(guān)文獻(xiàn)中有所描述。圖4(c)、(d)、(e)、(f)分別為Um=20m/s時(shí)不同前后體速度的流矢圖。Ub=18m/s時(shí),對(duì)比Ub=0m/s,上下兩個(gè)渦都得到加強(qiáng),渦心向著前壁面移動(dòng),渦的邊界面變得明顯,凹腔內(nèi)的流場(chǎng)特性明顯好于Ub=0的情況,這是由于后壁面吹氣的引入,與主流和前壁面產(chǎn)生的兩個(gè)渦在速度方向上都能夠很好的配合,使得主流駐渦順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)加強(qiáng)而下部的前壁面吹氣駐渦逆時(shí)針?lè)较蚣訌?qiáng)。對(duì)比所模擬的全部四種情況,可以看出Ub=36m/s時(shí)凹腔下部駐渦渦心居中、渦形狀好且與上部渦的邊界清晰,這時(shí)駐渦的穩(wěn)定性要好于Ub=18m/s的情況。然而當(dāng)Ub增大到51m/s時(shí),由于后壁面吹氣擠壓作用太大,下部駐渦渦心被擠向前壁面,駐渦流線不光滑,產(chǎn)生了變形,這時(shí)候下部駐渦的穩(wěn)定性反而不如Ub=36m/s的情況,不利于燃料在此穩(wěn)定燃燒而作為可靠的點(diǎn)火源。所以在Ub較小(18m/s)和Ub較大(51m/s)時(shí)凹腔內(nèi)的流場(chǎng)均不如Ub=36m/s時(shí)凹腔內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定,也即均不利于燃燒。由于本文所研究的前后壁面開(kāi)口大小相同,吹氣速度的大小也就意味著吹氣動(dòng)量的大小,所以以上討論表明本文研究模型在保證一定吹氣速度大小的情況下,后壁面吹氣速度、動(dòng)量與前壁面吹氣速度、動(dòng)量相當(dāng)時(shí)能夠取得比較有利的流場(chǎng)特性?；谝陨嫌懻?可以看出:確定幾何條件下,主流速度和前壁面吹氣速度都保持一定時(shí),后壁面吹氣存在一個(gè)最佳速度值或者說(shuō)動(dòng)量值使得兩個(gè)駐渦均保持穩(wěn)定,在這種情況下可以利用凹腔下部駐渦作為一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源,而上部駐渦與主流摻混以保證燃燒的穩(wěn)定性,從而滿足先進(jìn)燃燒室所期望的條件,大于或小于這樣一個(gè)值都會(huì)給凹腔內(nèi)的流場(chǎng)帶來(lái)不穩(wěn)定的影響。在本文所述的幾何條件和主流速度Um=20m/s,前壁面吹氣速度Uf=36m/s的狀況下,Ub=36m/s比較接近這個(gè)條件。4前壁面