1 引言

高速气流下的稳定燃烧需要满足火焰传播的余弦定理，其关键在于设法构造低速回流区^[1]。钝体是常用的火焰稳定装置，其结构简单可靠，广泛用于航空发动机加力燃烧室。钝体后形成的回流区一方面提供局部低速区满足火焰稳定的流动条件，另一方面促使高温气体与未燃气体进行能量与质量交换，形成稳定的点火源以达到稳定燃烧^[2~4]。钝体绕流产生的旋涡周期性生成和脱落现象对火焰稳定器后的流场有着十分重要的影响，旋涡脱落频率与钝体槽宽关系密切^[5~8]。钝体回流区后形成的旋涡尺寸越大，燃烧越充分，钝体尾迹旋涡脱落频率越小，越有助于火焰稳定^{[9, 10]}。另一种构造回流区的常用方法是强旋流，相对于钝体后单一展向涡，强旋流通过引入流向涡从而引发展向涡，通过两个方向的旋涡叠加运动强化流体传热传质效果^[11]。强旋流与钝体组合会产生更复杂的流场结构^[12]，两种方式的组合运用对于高速气流下火焰稳定燃烧有着重要的研究价值。

国内外对于高速气流条件下强旋-钝体组合稳燃器的研究工作还几乎处于空白，本课题组首次提出了该组合稳燃器的设计思想，为此，唐杨杨等^[13]采用SST湍流模型对方柱-强旋组合绕流进行了数值模拟，与方柱钝体旋涡脱落相比，在强旋流作用下旋流涡对旋涡脱落现象起主导作用，旋涡破碎形成“点潭”结构增强周围涡强度，回流区变长，但旋涡的脱落频率变化不大。随后DONG等^[14]采用Realizable k-ε湍流模型对Ⅴ型钝体与旋流组合绕流进行了冷热态数值模拟，结果表明旋流产生的旋涡与钝体旋涡的相互作用，不仅使旋涡的脱落频率下降，而且还可以减小流动阻力，有利于着火与稳定燃烧。

在数值模拟的基础上，课题组针对强旋-钝体组合稳燃器绕流的旋涡脱落规律进行了详细的实验研究，本文研究了旋流器出口安装位置对旋涡脱落规律的影响，测量了旋涡脱落频率，并分析了不同旋流体积流量下的尾流时均流场，为进一步研究旋流燃烧的混合过程以及燃烧不稳定性提供参考。

2 实验装置及测量方法

实验研究在如图 1所示的小型多功能风洞中进行。流场测量系统采用Lavision公司的2D3C Flow-Master粒子成像测速仪，其中Nd-YAG双腔脉冲激光器的单脉冲能量为2000mJ，工作波长为532nm，最大重复频率为15Hz；Imager SX 4M CCD相机的分辨率为2360×1776，象素物理大小为5.5μm×5.5μm。实验中的拍摄帧率为7帧/s，测量截面平行于实验件纵剖面，每个测量截面采集了至少2000个数据样本。示踪粒子直径在1~5μm，由DEHS（癸二酸二异辛酯）气溶胶提供。

参考PIV测量精度分析的相关研究^[15]，当样本数N≥500时二维测量截面各方向的测量速度统计量基本达到收敛。使用低频PIV测量湍流，当采集样本足够大的时候，可以使用Pod分析准确描述流动特征。实验中每张时均流线图为500个瞬态流场的系综平均结果，拍摄时间约为70s，保证了测量的精度。

强旋-Ⅴ型钝体组合实验件及尺寸参数如图 2所示，Ⅴ型钝体展长100mm，开口直径30mm，壁厚1mm，折角为35°，钝体前缘倒角半径6mm，弦长30.4mm，流向总长33.1mm。旋流器设计尺寸为入口管径2mm，出口直径10mm，长度10mm，置于Ⅴ型钝体展向中心的轴线处。

旋涡脱落频率由安装在钝体下游10D（D是钝体的开口直径）位置的PPM-120B高频动态压力传感器结合数据采集卡和后期数字信号处理获得。压力传感器测得的原始信号经一维小波分析处理，消除偏离趋势项，结合数字滤波的时域方法处理得到旋涡脱落信号的频率。

3 实验结果分析 3.1 Ⅴ型钝体绕流实验结果分析 3.1.1 旋涡脱落规律

实验分别研究了来流速度10~45m/s工况下，Ⅴ型钝体在不加入旋流条件时的旋涡脱落频率作为对照组，测量结果如表 1所示，其中U为来流速度，m/s；f为旋涡脱落频率，Hz；St为斯特劳哈尔数，表征钝体旋涡脱落的一个重要特征参数；Re为雷诺数。

旋涡脱落频率和斯特劳哈尔数的关系为

$ St = f \cdot \frac{D}{{{U_\infty }}} $

(1)

从表中可见，在不加入旋流条件下，Ⅴ型钝体绕流的St数基本保持不变，旋涡脱落频率随来流雷诺数升高而增大，且有较严格的正比关系，即

$ f = St \cdot { Re}\frac{\nu }{D} $

(2)

实验测量结果与迄今Ⅴ型钝体绕流旋涡脱落机制的理论分析相吻合。

3.1.2 尾流平均流场分析

图 3是Ⅴ型钝体绕流在约70s时间内的平均速度场和流线图，可见钝体下游平均流场是上下对称的两个剪切旋涡，这两个剪切旋涡即构成了钝体下游的回流区。通过图中标尺可以量得钝体下游回流区长度约为2D（60mm），宽度大约1.3D（40mm），这与传统钝体绕流冷态流场回流区尺寸的规律相符。

3.2 强旋-Ⅴ型钝体组合绕流实验结果分析 3.2.1 旋涡脱落规律

旋流管径10mm，旋流管出口位置分别位于钝体尾缘内部1D，与钝体尾缘平行和钝体尾缘外1D三种强旋-Ⅴ型钝体组合工况，如图 4所示，保持来流速度为10~45m/s，对这三种组合稳燃装置的旋涡脱落规律进行了研究，实验中旋流的体积流量（浮子流量计示数）为0.5~1.0m³/h。

旋流体积流量Q_r=0.5~1.0m³/h条件下，三个旋流出口位置组合稳燃装置绕流斯特劳哈尔数St随雷诺数Re的变化规律如图 5（a）~5（f）所示。

从图 5中可以看出，和不带旋流的Ⅴ型钝体绕流一样，在一定的旋流体积流量下，St数几乎不随雷诺数的改变而变化。然而，随着旋流出口位置的变化，St数变化，当旋流出口在位置1时，St数最小；而当旋流出口在位置3时，St数最大。这说明旋流器出口位置安装在钝体内部时，可获得较小的旋涡脱落频率，而当旋流器出口位置逐渐靠外时，旋涡脱落频率增大。

鉴于St数基本不随来流Re数发生改变，可进一步分析St数随旋流体积流量增大时的变化规律，结果如图 6所示。可以看出，对于不同的旋流器出口位置，强旋-钝体组合稳燃装置的绕流St数都随旋流体积流量增大而显著降低。图中的横坐标0位置是未通入旋流时三种强旋-钝体组合结构的St数，可见旋流器出口在位置1和位置2时，未通入旋流时St数基本相同；而在位置3的St数稍大，原因在于旋流器出口置于钝体外部时，将破坏钝体固有几何特征，并直接导致钝体阻力特性和旋涡脱落机制的改变。此外，从三个出口位置St数降幅看，三条曲线并没有很好的线性性，说明旋流体积流量和St数没有直接的线性关系，但呈负相关关系。在旋流流量Q_r=0~1m³/h，当Q_r=1m³/h时，参考无旋流的Ⅴ型钝体绕流St数，位置1的St数下降幅度为34.96%，位置2的St数下降幅度为28.87%，位置3的St数下降幅度为16.24%。位置1的降幅最为明显，而位置3的降幅最小，这可能是由于位置1生成的旋流直接从钝体内部射出并作用到钝体尾缘，影响到了钝体尾缘边界层的分离过程。而随着旋流出口的后移，旋流对尾缘边界层的作用越小，则对旋涡的分离和脱落影响也较小。

3.2.2 尾流平均回流区特性分析

在不同来流Re数条件下，不同旋流出口位置的St数仅随旋流体积流量改变而改变，因此可以用任一旋流出口位置和雷诺数为例，分析不同旋流体积流量下的尾流平均回流区特性。这里以位置2的强旋-钝体组合实验件在来流雷诺数3.5×10⁴条件下的尾流平均流场为例进行分析。

如图 7所示，无旋流时的时均流场与Ⅴ型钝体在同样来流条件下的时均流场非常相似，且有几乎同样的回流区长度和宽度。

随着旋流的通入，不同旋流体积流量下的尾流平均回流区特性如图 8所示。在旋流体积流量为Q_r= 0.5m³/h时，强旋-钝体组合稳燃装置绕流时均流场仍维持着与Ⅴ型钝体较为相似的形态，如图 8（a）所示，但是回流区长度受旋流的影响，变长了一些，约为2.3D（70mm），宽度几乎没有变化，仍为1.3D（40mm）。在旋流器出口位置上方，出现了由于喷射旋流而形成的涡团，并且这个涡团的影响范围正好覆盖到了钝体尾缘，因此可以推测，前述St数的减小，正是由于旋流作用改变了钝体尾缘边界层的分离机制导致的。随着旋流流量增大到Q_r=0.6m³/h时，如图 8（b）所示，原本上下两个几乎对称的旋涡由于受到旋流射流挤压而被破坏，逐渐脱离钝体尾缘，且在外部主流和内部流向旋流的双向作用下被压扁，回流区长度下降到大约2.17D（65mm）。当旋流体积流量继续增大到Q_r =0.7m³/h时，如图 8（c）所示，时均流场对称结构进一步被破坏，上部的旋涡完全脱体，且进一步被挤压、扭曲，下部旋涡也在旋流器通入的强旋流作用下破碎为两个尺度较小的旋涡。可见旋流器喷射的旋流彻底击穿了上部尾缘的边界层，破坏了钝体绕流旋涡脱落机制。这也应该是前述旋流强度增大导致St剧烈减小的本质原因。回流区的上下方向不再对称，宽度基本维持在约1.3D（40mm），但长度进一步缩短，约为1.83D（55mm）。由此可以预见，若持续加大旋流流量，钝体稳燃效果会下降，燃烧条件将恶化。如图 8（d）所示，在旋流体积流量为Q_r=0.8m³/h时，组合稳燃装置尾流区域的时均流线图在结构上与Q_r=0.7m³/h时相似，但回流区宽度显著变窄，下降为1D（约为30mm），钝体绕流脱落涡和旋流器喷射旋涡的影响范围急剧缩小了。进一步增大旋流体积流量到Q_r=0.9m³/h时，如图 8（e）所示，组合稳燃装置尾流区域的时均流线图再次发生了较大变化，由钝体脱落涡构成的上下两个时均旋涡进一步萎缩，尾流流场基本由旋流器通入的旋流主导。旋流射流一方面向外围扩散，另一方面由于旋流强度加大，中心区域卷吸作用增强，也不断将外围较弱的旋涡吸引到靠近旋流器中心轴线处。这一抽吸作用导致回流区进一步缩短到约1D（30mm）。当旋流体积流量增大到Q_r=1.0m³/h时，钝体尾缘的剪切特性几乎完全消失，流动特征彻底转变为了旋转射流流场。这说明此时通入的旋流强度已经大大超过了钝体绕流脱落涡的旋涡强度。由此可见，在旋流和钝体组合的稳燃装置中，旋流强度有一定的最佳范围，应在接下来的研究中深入探讨。

4 结论

本文针对强旋-Ⅴ型钝体组合稳燃装置中旋流器出口安装位置对旋涡脱落规律的影响，进行了实验研究，结果表明：

（1）通过在钝体内部安装旋流器，并通入极小流量（最高约占实验条件下主流流量的万分之一）的轴向旋流，即可明显改变钝体绕流旋涡脱落特性，显著改变钝体尾流流场。

（2）当旋流器出口位置安装在钝体内部时，可获得较小的旋涡脱落频率，而当旋流器出口位置逐渐后移时，旋涡脱落频率增大。旋流器出口置于钝体外部时，将破坏钝体固有几何特征，并直接导致钝体阻力特性和旋涡脱落机制的改变。

（3）在旋流流量Q_r=0~1m³/h内，三种旋流器出口位置的Ⅴ型钝体绕流St数均随旋流流量的增大而减小。对比无旋流时的Ⅴ型钝体绕流，当旋流流量Q_r = 1m³/h时，旋流管出口位置位于钝体尾缘内部1D处的Ⅴ型钝体绕流St数下降幅度最大，约为34.96%。

（4）旋流流量控制在一定量时，会产生包括钝体绕流旋涡脱落频率下降、钝体脱落涡强化、掺混特性改善、回流区尺寸扩大等一系列积极作用，本实验中，在旋流流量Q_r =0.5m³/h时回流区长度达到最大，约为2.3D。当旋流通入过量时，则将导致下游流场遭到破坏，回流区长度随旋流流量增大而急剧减小，钝体的火焰稳定性能可能会急剧下降。其中旋流量的最佳当量比范围，以及与旋流量作用相关的一系列物理量目前尚未完全探明，在后续工作中做深入研究。