RQL模型燃燒室數(shù)值研究

王丹丹，王成軍，吳振宇

（沈陽航空航天大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，沈陽 110136）

RQL模型燃燒室數(shù)值研究

王丹丹，王成軍，吳振宇

（沈陽航空航天大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，沈陽 110136）

以截面積為矩形截面的RQL模型燃燒室為研究對象，采用數(shù)值模擬方法分別研究了旋流器各參數(shù)（如出口角θ、輪轂與流路外徑比z和旋流器間距）和淬熄段射流孔參數(shù)（如孔數(shù)和射流孔截面積）對模型燃燒室流場、溫度場以及NOX排放值的影響。在數(shù)值模擬中采用的模型包括Realizablek-ε湍流模型、非預(yù)混燃燒模型、熱力型NOX和瞬發(fā)型NOX等。通過對模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析得出結(jié)論：當(dāng)模型燃燒室采用間距為69mm、θ=30°、z=0.68的旋流器和總面積為635.85mm2的12個淬熄射流孔的結(jié)構(gòu)時，可以在滿足燃燒室基本性能的前提下實現(xiàn)低污染排放。

富油燃燒-快速淬熄-貧油燃燒（RQL）；數(shù)值模擬；旋流器；NOX

0 引言

隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)向大氣排放的污染物日益增多，大氣污染日趨嚴(yán)重。而降低污染、延長壽命是民機(jī)的主要發(fā)展目標(biāo)。為此，世界各國都對航空發(fā)動機(jī)低污染燃燒枝術(shù)進(jìn)行廣泛研究。富油燃燒-快速淬熄-貧油燃燒（RQL）技術(shù)是世界公認(rèn)的先進(jìn)低污染燃燒技術(shù)之一[1-2]。

本文根據(jù)RQL燃燒技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵點，采用Fluent軟件，對矩形截面的模型燃燒室進(jìn)行數(shù)值模擬，主要針對富油區(qū)的旋流器的間距（2個旋流中心之間的距離）、出口角（旋流器出口處，葉片的切線方向與燃燒室的軸線方向的夾角） θ、輪轂與流路外徑比z和孔的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究。

1RQL燃燒室

RQL燃燒技術(shù)是基于NOx生成理論研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行分級燃燒，如圖1所示。將燃燒室分為低NOx生成的富油燃燒區(qū)和貧油燃燒區(qū)，中間采用高速射流進(jìn)行快速摻混的淬熄區(qū)實現(xiàn)由富油燃燒向貧油燃燒的快速轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)燃料穩(wěn)定燃燒的同時降低NOx排放的目標(biāo)[3]。

國外學(xué)者對RQL燃燒室進(jìn)行了大量的數(shù)值計算和試驗研究，特別是對空氣霧化噴嘴、射流空氣與旋流器進(jìn)口空氣的動量比J、孔結(jié)構(gòu)和冷卻方式等進(jìn)行研究[4-10]。Diers等對RQL燃燒室2種不同的摻混模式進(jìn)行了研究[11]。該研究應(yīng)用了矩形RQL燃燒室，主要分析不同射流孔的排列（單排線性與雙排交叉式排列）對摻混效果的影響，表明通過改變淬熄孔可以有效減少熱力型NO的生成；Holdema和Chang研究了RQL燃燒室中的摻混和排放物[12]，針對不同數(shù)目的射流孔和空氣的預(yù)熱對摻混效果和NOx的排放影響進(jìn)行了試驗研究。但是，對于旋流器相關(guān)參數(shù)對RQL燃燒方式影響的研究卻鮮見報道。

2 數(shù)值模型及數(shù)值方法

2.1 模型燃燒室的計算域

矩形RQL燃燒室高90mm，長250mm，如圖2所示。將噴嘴簡化成圓面，忽略旋流器葉片厚度及燃燒室壁厚，模型均采用4面體網(wǎng)格。

入口采用流量入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，壁面采用絕熱邊界條件，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面，燃料為甲烷，有利于富油段均勻混合。此模型的邊界條件見表1。

表1 計算模型邊界條件

表中：T2為旋流器進(jìn)口溫度；Tj為射流空氣溫度；P2為旋流器進(jìn)口壓力；MR為射流空氣與旋流器進(jìn)口空氣的質(zhì)量流量比；Tf為燃料溫度。

2.2 數(shù)值模擬方法

由于燃燒室內(nèi)流體有強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，同時考慮計算量而采用Realizablek-ε湍流模型；根據(jù)燃料和氧化劑分別供入的特點,認(rèn)為燃燒按照擴(kuò)散燃燒方式進(jìn)行，所以采用非預(yù)混燃燒模型；燃料和氧化劑快速燃燒，局部會放出大量的熱，DO（離散坐標(biāo)方法）輻射模型約束條件較少而被選用；根據(jù)NOx生成機(jī)理，主要考慮熱力型NOx；考慮計算量而采用SIMPLE算法，擴(kuò)散項采用中心差分，對流項采用1階迎風(fēng)格式。

3 數(shù)值結(jié)果與分析

在RQL模型燃燒室中，采用縮頸結(jié)構(gòu)以阻止射流空氣回流，避開化學(xué)當(dāng)量比的區(qū)域和減少高溫區(qū)的停留時間，降低NOx的排放[13]。富油段主要針對旋流器的間距、出口角θ、輪轂與流路外徑比z進(jìn)行研究。

采用3個旋流器的模型燃燒室作為研究對象，θ＝30°、z=0.61、旋流器寬度 WSW=9.5mm 、葉片安裝角αSW=0°；旋流器間距分別為 52、59、69mm。RQL 模型燃燒室縱切面流跡線如圖3所示。從圖中可見，在旋流器間距較小時，由于相鄰旋流器的氣流相互作用較大,在富油段形成低速區(qū)，使得回流區(qū)不明顯，不利于穩(wěn)定燃燒；而隨著旋流器間距的增加，不同旋流器間的空氣流動相互作用程度減弱，回流區(qū)逐漸明顯。研究發(fā)現(xiàn)旋流器間距為69mm的模型較好。

改變旋流器出口角，θ=30°、45°、60°，旋流器間距為69mm，其他參數(shù)不變。富油段各截面平均溫度曲線如圖4所示。從圖中可見，θ越大，從旋流器流出的氣體越早流向模型燃燒室壁面，回流區(qū)最大直徑的切面越向旋流器靠攏，則燃燒越早，有利于穩(wěn)定燃燒，但整體溫度偏高；而θ越小，氣流的擴(kuò)張角越小，有利于空氣與氣體燃料邊混合邊富油燃燒，富油段溫度分布越低，有利于降低熱力型NOx排放值。

除θ外，z是影響旋流數(shù)Sn的另1個主要幾何參數(shù)。z=0.61、0.680.72、時，距旋流器出口各切面的平均溫度分布曲線如圖5所示。從圖中可見，當(dāng)旋流器的輪轂直徑一定時，z值越大，流路外徑越小；在相同流量下，速度越大，空氣從旋流器流出后，與氣體燃料混合燃燒越早，再被旋流器引起的低壓區(qū)卷吸進(jìn)入回流區(qū)，使得富油段溫度整體偏高；雖然z=0.61模型的富油段溫度整體偏低，有利于降低熱力型NOx排放值，但旋流器進(jìn)口的平均流速較低，僅28m/s，不符合旋流器進(jìn)口速度為40～60m/s的要求，而z=0.68的旋流器的進(jìn)口平均流速為41m/s，基本符合事實。

在距旋流器進(jìn)口115mm處，溫度極速下降，主要由于淬熄空氣快速射入，從富油區(qū)流出的高溫燃?xì)鉁囟冉档停诮档蜔崃π蚇Ox排放；隨之溫度略有升高，主要因淬熄空氣與未燃燃料發(fā)生2次燃燒。

x=0截面的溫度分布如圖6所示。從圖中可見，在富油段基本實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒且平均溫度較低，主要熱區(qū)在孔附近。

計算模型中心線NOx濃度曲線如圖7所示。從圖中可見，在孔面積相同情況下，12個孔的NOx生成量最少；隨著孔面積的增大，在富油段NOx生成量可達(dá)10-7量級，且相同孔數(shù)模型的NOx生成量逐漸減少。結(jié)果表明，孔面積為635.85mm2的12孔模型的NOx排放量最少，為4.45×10-6。圖中虛線為孔面積453.42mm2，實線為孔面積502.4mm2，點劃線為孔面積635.85mm2；10、11、12 為孔數(shù)。

4 結(jié)論

（1）對RQL燃燒室富油段旋流器參數(shù)進(jìn)行數(shù)值研究可知，旋流器間距為 69mm、θ=30°、z=0.68 時，富油段油氣混合較好，NOx排放量很低，達(dá)10-7量級。

（2）在產(chǎn)生回流區(qū)的基礎(chǔ)上，旋流數(shù)少有利于降低溫度，從而降低熱力型NOx排放值，這與傳統(tǒng)燃燒室要求旋流數(shù)Sn＞0.6相矛盾。

（3）淬熄段孔參數(shù)（面積、直徑）對NOx的排放值影響很大。

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Numerical Study of RQL Model Combustor

WANG Dan-dan,WANG Cheng-jun,WU Zhen-yu
（Power and Energy Engineering College,Shenyang Aerospace University,Shenyang,110136,China）

A rich-quench-lean （RQL）model combustor with a rectangular cross-section was studied.The influences of swirler parameters（such as outlet angle θ,ratio of inner diameter to outer diameter z,spacing between swirlers）and parameters of the jet holes in quench zone（such as the number of jet holes,total section area of the holes）on flow field,temperature field,and NOXemissions of the combustor were investigated by the numerical simulation.The models adopted in the numerical simulation were Realizable k-ε turbulence model,non-premixed combustion model,discrete ordinates radiation model,thermal NOxmodel and prompt NOxmodel.Based on the simulation results,the conclusion can be reached that a model combustor with swirlers of spacing 69mm,θ=30°,and z=0.68and 12jet holes having total section area 635.85mm2in the quench zone can realize the basic combustion performance and low emissions.

RQL;numerical simulation;swirler;NOX

王丹丹（1986），女，碩士，研究方向為航空發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計及分析。