● 摘要
为提高航空发动机推重比，需相应提高燃烧室温升和涡轮前进口温度。燃烧室温升的增加会使设计点油气比增加。因此，为保证排气冒烟不可见，需相应增加主燃区进气量和头部进气量，确保主燃区当量比在1.4以下。在常规燃烧室中，增加头部进气量会使喷嘴出口当量比大幅下降、头部进气速度升高，从而使得燃烧室贫熄油气比升高。因此，为解决未来高温升燃烧室在高、低温升条件下的可见排气冒烟和高贫熄油气比问题，需改进燃烧室头部设计。本文以高温升燃烧室为背景，在燃烧室头部采用中心分级喷嘴。
本文以结构参数和工况参数变化为切入点，研究二者对中心分级喷嘴下游流场和喷雾场的影响，分析中心分级喷嘴下游的流场特性和雾化规律。采用数值模拟方法对中心分级喷嘴在矩形燃烧室中的冷态流场进行数值模拟，同时采用激光多普勒测速仪测量中心分级喷嘴下游的速度场和喷雾场。分析不同结构参数和工况条件下的流场特性和喷雾规律，研究二者与中心分级喷嘴雾化特性之间的关系。
数值计算结果表明，主燃级结构参数和流场特性之间存在着密切关系。在其他条件不变的条件下，主燃级两级旋流器旋向相同会使回流区长度变长、出口附近回流区宽度变大；保持主燃级进气量一定、主燃级两级旋流器旋向相反，随三级旋流器气量逐渐增加，回流区长度先减小后变大。计算结果与实验结果相吻合。
实验结果表明，工况参数和结构参数对喷雾特性有显著影响。只对值班级或主燃级供油，逐渐增加气液比，值班级或主燃级出口的液滴SMD减小，但当气液比达到某个临界值后，液滴SMD基本不变。主燃级旋流器旋向相同时的雾化效果比旋向相反时差；主燃级旋流器旋向相反时，保持主燃级供气量一定，增加三级旋流器气量分配，会使主燃级喷嘴出口液滴SMD减小，但喷雾周向分布均匀性变差，此外会有更多大液滴被直接吹离旋流通道，甩到径向外侧区域。对值班级与主燃级同时供油，两相流场中的旋流增强，会使燃烧室中心区域SMD减小，外围区域SMD增大；在值班级喷雾与主燃级喷雾交汇区域，液滴SMD增大。在总燃油流量一定的条件下，随着分级比减小，主燃级燃油流量增加，燃烧室中旋流增强，燃烧室中雾化规律与前述一致。
中心分级喷嘴具有良好的雾化和燃烧性能，但两级喷雾共同工作使得流场特性和雾化规律更加复杂，本文研究为中心分级喷嘴相关设计提供参考。