回流燃烧室被广泛应用在小型航空发动机中,主要是由火焰筒、内外环通道和大弯管等部分组成,其独有的气流经过两次180°偏转的结构特点使得回流燃烧室具有明显的优缺点,深入探究回流燃烧室流动及燃烧组织结构具有重要意义。本文通过实验的手段开展了三种方案的单头部回流燃烧室试验件流场及燃烧组织特性研究工作。根据三种方案回流燃烧室的内、外环火焰筒射流孔分布不同,而内、外环道、火焰筒轮廓、大弯管段及头部旋流器等完全一致的结构特点,采用搭接的思想设计了可灵活拆换和装配火焰筒的回流燃烧室模型试验件,并实现了燃烧室内流场及火焰结构的非接触测量研究,主要成果有:(1)本文建立了回流燃烧室试验件流场和火焰结构测量系统,开展了回流燃烧室真实燃烧环境下流动和火焰结构特性研究。随着总压损失的增大,回流燃烧室进口流量逐渐增大;相同总压损失时,不同方案燃烧室进口流量有较大差异;供油油压对喷嘴雾化性能有很大影响,当供油油压大于0.6MPa时,喷嘴雾化性能较好;结合单头部回流燃烧室试验件自身尺寸所限和流场试验测量要求,采取热射流点火方式。(2)不同总压损失时燃烧室流场中回流区位置及大小、流线、射流角度、射流穿透深度等基本保持不变,其主要影响流场中各点的速度值大小,随着总压损失的增大,流场中各点速度大小逐渐增大;相同总压损失下,热态流场结构与冷态流场结构有一定差异,中心回流区长度较冷态时略大,掺混孔射流向中间区偏移角度变大,速度峰值较冷态时速度峰值增大;油气比对燃烧室流场特性影响较小,三种方案回流燃烧室在不同油气比时流场中心回流区位置、中心回流区长度、流线方向、射流深度、射流角度、速度峰值等基本相同;燃烧室结构直接影响流场结构,在相同气动参数时,内、外环射流孔分布的改变会直接改变回流区的位置分布、回流区大小、气流流向、射流孔射流角度、射流穿透深度、射流核心速度值等。(3)相同油气比,低总压损失与高总压损失时,由于离心喷嘴雾化性能的差异,低总压损失时OH*的起始轮廓相较CH*的起始轮廓有一定滞后,高总压损失时OH*的起始轮廓基本与CH*的起始轮廓重合,核心反应区面积、出口温度等随着总压损失的增大而增大,不同总压损失条件下火焰扩张角基本保持不变;相同总压损失,不同油气比时,燃烧火焰扩张角基本相同,CH*轮廓有一定不同,但在头部主燃区区域内变化较小,OH*的分布差异较小,油气比的改变会对燃烧火焰的结构形态、燃烧火焰颜色有较大影响,随着油气比的增大火焰尾迹逐渐增长;出口温度逐渐增大;燃烧室结构的改变会明显改变火焰形态及燃烧中间产物的分布,方案一、方案二、方案三燃烧室火焰扩张角逐渐减小,头部靠近内环位置的高温区位置明显前移,即燃烧室结构对火焰结构有重大影响。(4)流动特性与燃烧火焰结构关系密切,头部平行气流较强的区域燃烧更为剧烈,燃烧中间产物轮廓线光滑平整,随着平行气流逐渐减弱,燃烧剧烈程度降低,燃烧中间产物轮廓线变褶皱,流场中平行气流的强弱对燃烧化学反应有重大影响。