题目：旋流杯文氏管积碳的机理研究

随着现代航空发动机燃烧室的发展，旋流杯被广泛使用，它的工作性能直接影响燃烧室的性能。旋流杯中文氏管的存在能控制燃油浓度分布的区域，限制了流场中的回流区向文氏管喉道上游发展，从而也就限制了高温燃气向上游发展，防止积碳现象的发生。
为了对旋流杯内的气、液两相旋流特性进行研究分析，揭示旋流杯文氏管的积碳机理，本文针对燃烧室工况参数和旋流杯关键组合参数对文氏管积碳的影响展开了参数化的试验研究和数值模拟分析，对比分析了不同参数下旋流杯内部及其下游的流场、油雾场和温度场以及积碳特性。主要研究内容有：数值分析了火焰筒进口压力、火焰筒进出口压降和燃烧室内油气比等燃烧室工况参数对旋流杯内部及其下游的流场和温度分布的影响；数值分析了一级旋流器有效面积与文氏管喉道面积的比值（AES/AT）、喷嘴距文氏管喉道距离与文氏管喉道直径之比（LT/DT）和文氏管旋流数（STn）等三个旋流杯关键组合参数对旋流杯内部及其下游的冷热态流场和温度场的影响；采用PDA研究了AES/AT、LT/DT和STn对旋流杯下游流场和喷雾特性的影响；燃烧试验研究了燃烧室工况参数如火焰筒进口压力、火焰筒进出口压降和燃烧室内油气比对旋流杯文氏管积碳特性的影响；燃烧试验研究了AES/AT、LT/DT和STn对旋流杯文氏管积碳特性的影响；对文氏管积碳的影响机制进行了分析并提出了一个旋流杯文氏管防积碳的准则关系。
研究结果表明：（1）增大一级旋流器有效面积与文氏管喉道面积的比值（AES/AT），能改善燃油雾化质量，但会造成燃油分布的空间均匀性变差，压缩中心回流区在旋流杯内部的尺寸，造成旋流杯内部的负速度峰值和负速度分布区域明显减小，空气回流质量减小，高温燃气被文氏管喉道截止，文氏管积碳质量减小。（2）适当增加喷嘴距文氏管喉道距离与文氏管喉道直径之比（LT/DT）对旋流杯下游的流场影响较小，在一定程度上能改善燃油雾化质量，但中心回流区上止点会由上游喷嘴处向下游移动，旋流杯喉道附近的负速度峰值和负速度分布区域明显减小，空气回流质量减小，文氏管喉道附近的温度峰值和分布区域减小，文氏管积碳量明显减小在极限条件下甚至没有。（3）文氏管旋流数（STn）的增大有利于燃油雾化，但会造成中心回流区向旋流杯内部发展直至喷嘴附近，高温燃气在中心回流区的作用下也随之进入到旋流杯内部，从而使积碳量明显增加。（4）火焰筒进口压力对文氏管积碳具有重要影响，随着火焰筒进口压力的提高，文氏管上的积碳量急剧增加；火焰筒进出口压降和燃烧室内的油气比对于文氏管积碳都有一定的影响，在一定的工况参数范围内，随着火焰筒进出口压降和燃烧室内油气比的提高，文氏管积碳呈增加的趋势。（5）旋流杯文氏管的积碳主要受文氏管内的燃油雾化质量和气流温度的影响，在雾化情况相差不大时，文氏管喉道附近的温度峰值越高，高温分布区域越广，则有利于加快文氏管内燃油的氧化结焦反应，形成碳沉积在文氏管内壁上。（6）在工况参数一定时，可以采用数值计算方法求解文氏管出口圆面输入到文氏管内的能量来对文氏管发生积碳的趋势进行分析。