未來先進航空發(fā)動機燃燒室的發(fā)展趨勢，對于專用發(fā)動機而言是高溫升乃至超高溫升燃燒，對于普通發(fā)動機則是低污染燃燒。在低污染燃燒室和高溫升燃燒室中廣泛采用組合式空氣霧化噴嘴，大量的空氣從燃燒室頭部進入，即用于燃燒的空氣量增加，頭部參考速度增加，火焰的穩(wěn)定性變差。未來航空發(fā)動機燃燒室傾向于采用貧油預(yù)混燃油霧化技術(shù)，燃燒前油氣混合均勻程度決定污染物排放性能，同時影響發(fā)動機慢車貧油熄火性能。在燃燒穩(wěn)定性上尋求突破，需要新的燃燒組織方法，即燃燒室頭部空氣流場、燃油霧化、摻混和蒸發(fā)。其中燃燒室頭部低速區(qū)、燃油空間分布和液滴直徑尺寸及空間分布是發(fā)動機點火和貧油熄火性能的決定因素。先進發(fā)動機燃燒室的研發(fā)，無論是低污染燃燒室還是高溫升燃燒室都需要燃油噴嘴在設(shè)計上尋求改進，目前對燃油霧化機理的認識和霧化模型還不足以支撐多級旋流空氣霧化噴嘴的設(shè)計。
基于發(fā)動機燃燒室的現(xiàn)狀和研發(fā)的需要，中國科學(xué)院工程熱物理研究所燃氣輪機實驗室首先建立了先進的霧化特性平面激光成像測試平臺，利用平面激光成像技術(shù)對空氣霧化噴嘴的霧化特性展開研究，包括旋流器下游流場、燃油空間分布和液滴直徑及尺寸分布，研究了空燃比、旋流空氣速度和初始霧化效果等對霧化特性的影響，從霧化特性上分析不同實驗參數(shù)時點火和貧油熄火性能的影響因素和機制，為燃燒室頭部流場設(shè)計和發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)選擇提供指導(dǎo)。
經(jīng)過研究團隊的辛勤工作，近期主要取得了以下幾個方面的成果：1.建立了發(fā)動機燃燒室中液滴空間分布測量誤差校正方法，提高了液滴空間分布的測量精度，并進行了實驗驗證。2.液滴和旋流空氣相互作用機理。從液滴速度方面分析，一級旋流空氣和初始噴霧錐角共同決定初始霧化液滴能否在文氏管內(nèi)壁上形成液膜，從而影響液滴和二級旋流空氣的跟隨程度，二級旋流空氣速度對液滴速度起主導(dǎo)作用。從燃油分布特性方面分析，一級旋流空氣具有擴大離心噴嘴霧錐尺寸的作用，二級旋流空氣一方面通過帶動液滴運動影響液滴空間分布，另外一方面是通過形成回流區(qū)產(chǎn)生的逆壓梯度影響液滴空間分布。從液滴平均粒徑方面分析，初始霧化的液滴能否在文氏管內(nèi)壁上形成液膜和兩級旋流空氣的剪切力共同影響二次霧化效果；3.建立了空氣霧化噴嘴�；囼灧椒�，基于液滴粒徑對不同無量綱參數(shù)的敏感性分析，進行空氣霧化噴嘴霧化特性�；瘜嶒灂r應(yīng)保持We數(shù)不變。
相關(guān)研究成果已發(fā)表在燃氣輪機領(lǐng)域雜志：Transactions of the ASME，Journal of Engineering for Gas Turbines and Power。這些研究成果已成功用于發(fā)動機燃燒室設(shè)計、噴嘴霧化質(zhì)量檢測和篩選，很好地結(jié)合了基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用。
圖1 霧錐瞬態(tài)圖像
圖2 旋流空氣壓差對液滴空間分布的影響
