InAero-motor verbrennungs forschung, Das Verständnis derStrömungs felds truktur von Wirbel flammenUnd der Mechanismus vonMageres Ausblasen (LBO)ErfordertFluss diagnostik techniken mit hoher zeitlicher Auflösung.
Ein Forschungs team aus einemNationales Schlüssel labor für Luft-und RaumfahrtBeschäftigte dieRevealer Stereo-PIV-System (5 kHz)Zusammen mitOH-Chemi lumineszenz diagnostik* Zur systematischen Untersuchung derMager-Blowout-Mechanismus einer zentral inszenierten Wirbel flamme.
Durch den ErwerbDrei komponenten augenblick liche Geschwindigkeit felderUnd Anwendung derSpektrale richtige orthogonale Zersetzung (SPOD)Methode, die Studie enthüllte den Bildungs mechanismus vonNieder frequente, großräumige kohärente Strukturen in der Nähe der Rezirkulation szoneUnter nahezu LBO-Bedingungen. Diese Strukturen spielen eine entscheidende Rolle inFlammens tabilisierung.
Die Ergebnisse liefern wichtigExperimentelle Beweise für die Konstruktion von emissions armen Flugmotor brennernUnd demonstrieren den Wert vonHochfrequenzStereo-PIV-MesssystemeIn der Verbrennungs dynamik forschung.
Im Bereich derVerbrennungs-und Wirbel verbrennungs forschung, Studierende WissenschaftlerZentral inszenierte Wirbel flammenIn der Regel stehen drei große Herausforderungen:
1. Komplexe interne Strömungs strukturen in Wirbel brennern
Das interne Strömungs feld einer Wirbel brennkammer ist hoch komplex.
Wirbel flammen sind kompliziertRezirkulation zonen, Scher schichten und hoch frequente turbulente Strukturen, Die mit herkömmlichen Diagnose techniken schwer zu erfassen sind.
2. Übergang von kleinen Turbulenzen zu großräumigen kohärenten Strukturen in der Nähe von LBO
VorherEs tritt ein mageres Ausblasen aufDas Strömungs feld durchläuft einen dynamischen Übergang vonKlein turbulenzen zu großräumigen kohärenten Strömungs strukturen.
Dieser Prozess erfordertExtrem hohe zeitliche AuflösungUm das transiente Fluss verhalten im Zeitbereich zu analysieren.
3. Einschränkungen der planaren Geschwindigkeit messungen
TraditionellZwei dimensionale planare Geschwindigkeit messungenKann die Entwicklung von nicht vollständig erfassenAxiale, radiale und tangentiale Geschwindigkeit komponentenIn wirbelnden Strömungen.
Unter diesen Umständen wird dieStereo-PIV (Stereo-Partikel-Bild-Velocimetrie)-SystemIst ein wesentliches gewordenVerbrennungs diagnostik werkzeugZur Untersuchung komplexer drei dimensionaler Strömungs dynamik.
In dieser Studie stellte das Forschungs team eineHochfrequenz-Durchfluss mess plattformBasierend auf demRevealer Stereo-PIV-System.
Die Haupt system konfiguration ist nachstehend zusammen gefasst:
Kern komponente | Spezifikation |
PIV Hoch geschwindigkeit kameras | ZweiHoch geschwindigkeit kameras, Unterstützt bis zu10 kHz BildrateIm Frame-Straddling-Modus |
Laser quelle | Doppel hohlraumNd:YLF-Doppelpuls-Laser |
Mess modus | 2 D3C Stereo-PIV MessungUnter Verwendung eines120 ° Kamera Betrachtung winkel |
Synchrone Diagnose | IntegriertOH-Chemi lumineszenz messsystem* (Bild verstärker Revealer S1315 Kamera) |
Datenverarbeitung | Kompatibel mitSPOD (Spektrale richtige orthogonale Zersetzung)Modal analyze |
Mikron-SkalaAluminiumoxid-Tracer-PartikelWurden in das Strömungs feld ausgesät, und einLaser blattWurde verwendet, um die Messe bene zu erzeugen.
Das System erfasstMomentane Geschwindigkeit vektor felder innerhalb der Brennkammer mit einer Wiederholung srate von 5 kHz, Ermöglicht HochfrequenzTeilchen bild Velocimetrie (PIV)Messungen.
Für jeden Betriebs zustand ca.10.000 Datensätze für momentane Durchfluss felderWurden gesammelt, um einen robusten Datensatz für bereit zustellenStatistische Analyse und modale Zerlegung.
Zur gleichen Zeit, dieStereo-PIV-System wurde mit OH-Chemi lumineszenz diagnostik synchron isiert*, So dass Forscher die charakterisieren könnenRäumliche Verteilung der Wärme freisetzungRaten und beobachten Sie dieKopplung zwischen Strömungs strukturen und Verbrennungs reaktions zonen.
Abbildung 1 Schematische Darstellung derHochfrequenz-Stereo-PIV-und OH-Chemi lumineszenz synchron isiertes Diagnose system*
3.1 Stereo-PIV zeigt Flow Field Evolution in zentral stationierten Wirbel flammen
DieEnthüllerHochfrequenz-Stereo-PIV-SystemWurde zuerst verwendet, um dieMomentanes Drei-Komponenten-Geschwindigkeit sfeldUnterNicht reagierende Bedingungen.
Durch LeistungZeit mittelung analyzeForscher erhielten die Strömungs felds truktur unter verschiedenenGeschwindigkeit verhältnis Bedingungen (Rv)Zwischen denHauptbühne und Pilot Bühne Wirbel fließt.
Die Ergebnisse zeigen, dass dieRezirkulation zonen struktur innerhalb der Brennkammer ändert sich erheblichDa das Geschwindigkeit verhältnis variiert (siehe Abbildung 2).
UnterBedingungen des niedrigen Geschwindigkeit verhältnisses, DieAxial geschwindigkeit sfeld, das vom Stereo-PIV-System erfasst wirdZeigt an, dass diePrimäre Rezirkulation szone (PRZ)Wird haupt sächlich von derPilot wirbel fluss.
In diesem Regime erscheint die Rezirkulation szoneKompakt und konzentriert in der Nähe der Brennkammer Mittellinie.
Wenn das Geschwindigkeit verhältnis zunimmt, wird dieHauptbühneWirbels trahl stärkt sich allmählich. DieStereo-PIV-MessungenZeigen, dass der Haupt stufen jet in der nach gelagerten Region mit dem Piloten jet verschmelzen beginnt.
Wenn das Geschwindigkeit verhältnis weiter zunimmt, wird dieHauptbühnen wirbel wird zur dominierenden Antriebs kraft, Drücken Sie die Rezirkulation szone weiter stromabwärts und bilden Sie aBreitere Hochgeschwindigkeits-Strahls truktur.
Die Reihe von Geschwindigkeit feldes chwankungen, die von derRevealer Stereo-PIV-SystemZeigen, dass das Strömungs feld in einer zentral inszenierten Brennkammer in drei Regime eingeteilt werden kann:
Pilot dominierte Strömung
Gekoppelter Pilot-Haupt phasen fluss
Hauptbühne dominierter Fluss
Diese Ergebnisse bieten eine Anleitung für die Auswahl von Betriebs parametern inMagere Blowout-ExperimenteUnd bestätigen, dassÄnderungen der Wirbels trömungs strukturen sind Schlüssel faktoren, die die Flammens tabilität beeinflussen.
Abbildung 2 Zeit gemittelte axiale Geschwindigkeit verteilungen unter verschiedenen Geschwindigkeit verhältnissen, gemessen mit Stereo-PIV
3.2 Stereo-PIV-Modal analyze ident ifi ziert dominante Wirbel fluss strukturen
Basierend auf demMomentane Geschwindigkeit sfeld daten, die vom Revealer Stereo-PIV-System erfasst werden, Führte das Forschungs team durchSPOD-Frequenz domänen modale AnalyseUm die zu extrahierenDominante dynamische Strömungs strukturen.
Die SPOD-Analyse ident ifi ziertEnergie dominante Strömungs modi bei unterschied lichen FrequenzenUnd enthüllt die räumliche Verteilung der dynamischen Schlüssel strukturen.
Die Ergebnisse zeigen, dass:
UnterBedingungen des niedrigen Geschwindigkeit verhältnissesKonzentriert sich die dominierende modale Energie in derPilot wirbel regionUnd zeigt eine anti symmetrische räumliche Verteilung an, was darauf hinweist, dass diePiloten wirbel instabilität dominiert die Strömungs dynamik.
Wenn sich das Geschwindigkeit verhältnis erhöht, umModerate Werte, Dominante modale Energie erscheint in derInteraktion region zwischen den Piloten-und Hauptbühne jets.
Wenn das Geschwindigkeit verhältnis weiter zunimmt, wird dieDominante modale Energie verschiebungen stromabwärts, Was darauf hinweist, dass dieDer Wirbel der Hauptbühne wird zum primären Antriebs mechanismus.
Durch die KombinationStereo-PIV-Messungen mit SPOD-Modal zersetzungKönnen Forscher quantitativ dieDominante Strömungs strukturen innerhalb der Wirbel brennkammer und ihre Energie verteilung.
Diese Analyse zeigt, wieDas Luftstrom-Staging-Design beeinflusst die Strömungs stabilitäts mechanismenUnd bietet wertvolle Einblicke inWirbel verbrennungs dynamik.
Abbildung 3 Räumliche Verteilung des ersten SPOD-Modus, abgeleitet aus Stereo-PIV-Geschwindigkeit sfeld daten unter verschiedenen Geschwindigkeit verhältnissen
3.3 Stereo-PIV ident ifi ziert kritische Fluss strukturen vor dem Ausblasen
Während der Verbrennungs experimente wurden dieRevealer Stereo-PIV-MesssystemWurde weiter verwendet, um Strömungs feld änderungen zu analysieren, wenn sich die Flamme dem nähertMageres Blowout-Limit.
Als dieDas Äquivalenz verhältnis nimmt in Richtung LBO-Bedingungen allmählich abWerden die bisher mehr frequenten Strömungs strukturen zunehmend von einerEin-Niederfrequenz-Modus.
Die räumliche Verteilung dieses Modus befindet sich haupt sächlich in der Nähe derHaupt rückführung szone und Flammen verankerung region.
Stereo-PIV-Messungen zeigen, dass dieseNieder frequente, großräumige kohärente Strukturen stören periodisch den internen Fluss innerhalb der Rezirkulation szone, Die Auswirkungen auf dieTransport von Hoch temperatur verbrennungs produkten in Richtung Flammen wurzel.
Wenn sich diese Störungen verstärken, kann die Flammen wurzel nicht mehr ausreichend empfangenAktive Radikale und thermische Rückkopplung, Was zuLokalisiertes Flammen sterbenUnd schließlich auslösendGlobal Lean Blowout.
Durch die Analyse derRäumliche Verteilung des ersten SPOD-ModusKönnen Forscher die eindeutig identifizierenStandort und Einfluss bereich kritischer Instabilität strukturen.
Abbildung 4 SPOD-Struktur im ersten Modus, abgeleitet aus Stereo-PIV-Daten unter nahezu LBO-Bedingungen
Basierend auf synchron isiertHochfrequenz-Stereo-PIV-Messungen und OH-Chemi lumineszenz diagnostik*, Die Studie zeigt die Entwicklung von Strömungs strukturen undMager-Blowout-Eigenschaften in einer zentral inszenierten Wirbel brennkammer.
Ich. Durchfluss struktur übergang mit Geschwindigkeit verhältnis
Stereo-PIV-Messungen zeigen, dass als das Geschwindigkeit verhältnis zwischenHauptbühne und Pilot phaseÄndert sich, der interne Brennkammer fluss entwickelt sich durch drei typische Regime:
Pilot dominierte Strömung
Gekoppelter Pilot-Haupt fluss
Hauptbühne dominierter Fluss
Diese Übergänge verschieben dieHaupt rezirkulation szone Standort und Scher schicht struktur, Direkt beeinflussenFlammen verankerung positionen und Gesamt verbrennungs stabilität.
II. Fluss dynamik in der Nähe der mageren Blowout-Grenze
Wenn sich das System dem nähertLBO-LimitÄndert sich die Strömungs dynamik erheblich.
Die SPOD-Modal analyze zeigt an, dassHochfrequenz turbulenzen zerfallen allmählich, WährendNiederfrequenz-Groß strukturen werden dominantIn der Rezirkulation szone und im Flammen verankerung bereich.
Diese kohärenten Strukturen stören periodisch dieTransport von Hoch temperatur verbrennungs produkten in Richtung Flammen wurzel, SchwächungThermische Rückkopplung und radikale Versorgung, Letztendlich auslösendLokales Aussterben und globaler Lean Blowout.
III. Technischer Wert des Stereo-PIV-Messsystems
DieStereo-PIV-MesssystemZeigt einen signifikanten technischen Wert in der Verbrennungs forschung.
Durch das ErfassenDrei komponenten augenblick liche Geschwindigkeit felder mit einer Frequenz von 5 kHzUnd diese Daten mit kombinierenModale Zersetzung analyzeErmöglicht das System:
Identifizierung vonKomplexe Wirbels trukturen
Lokal isierung vonKritische Instabilität strukturen
Experimentelle Validierung fürVerbrennungs stabilitäts mechanismen
Daten unterstützung fürLBO-Vorhersage modelle
Für Laboratorien, die in engagiert sindForschung im Bereich Luft-und Raumfahrt technik, Energie systeme und Verbrennungs dynamik, DieRevealer Stereo-PIV-SystemBietet mehrere unver wechselbare techno logische Vorteile.
1. hohe Probenahme frequenz
Das System unterstütztVollbild-Mess frequenzen von 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz und 25 kHz, Ermöglicht eine genaue Erfassung vonTransiente kohärente Strömungs strukturen in komplexen turbulenten Strömungen.
2. hochpräzise Kalibrierung
AFlugzeug-Selbst kalibrierung stech nik basierend auf Disparitäts-Vektor-Feld-Korrektur-Mapping-FunktionenGewähr leistet eine hohe geometrische Genauigkeit inStereo-PIV-Messungen.
3. Multi-Physik gekoppelte Diagnostik
Das System unterstützt die Tiefen synchron isation mitOptische Verbrennungs diagnostik techniken, Einschl ießlich:
OH-Chemi lumineszenz*
CH-Chemi lumineszenz*
PLIF (planare laser induzierte Fluoreszenz)
Dies ermöglichtMehrfeld-gekoppelte Messungen, Die gleichzeitige Beobachtung vonStrömungs feld dynamik und Verbrennungs reaktions zonen.
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