渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)加力/沖壓燃燒室流動(dòng)及燃燒模擬

王玉男，王占學(xué)，張軍峰

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)加力/沖壓燃燒室流動(dòng)及燃燒模擬

王玉男1，王占學(xué)2，張軍峰1

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

為了解加力/沖壓燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分布特性，利用0維串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)(TBCC)性能計(jì)算程序得到發(fā)動(dòng)機(jī)主要截面參數(shù)結(jié)果。基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬方法，進(jìn)行了小型渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)在關(guān)加力模態(tài)、開加力模態(tài)、模態(tài)轉(zhuǎn)換和沖壓模態(tài)下加力/沖壓燃燒室內(nèi)部流動(dòng)及燃燒模擬，分析了單環(huán)和雙環(huán)火焰穩(wěn)定器對(duì)加力/沖壓燃燒室長(zhǎng)度等方面的影響，通過對(duì)比可知：在同等長(zhǎng)度下含有雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口溫度更高。

加力/沖壓燃燒室；渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)；流動(dòng)；燃燒；計(jì)算流體力學(xué)；數(shù)值模擬

0 引言

渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC）作為1種新形式的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，擁有比傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)更寬的飛行范圍、比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更大的比沖、可以使用常規(guī)碳?xì)淙剂?、具有較好的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，可作為水平起降重復(fù)使用臨近空間飛機(jī)、空天入軌飛機(jī)以及遠(yuǎn)程高空高速導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置，滿足空天一體化飛行的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。

TBCC已成為各國(guó)公認(rèn)的空天飛行器動(dòng)力裝置未來發(fā)展方向之一，一般分為串聯(lián)和并聯(lián)2種結(jié)構(gòu)形式。在串聯(lián)式TBCC中，加力/沖壓燃燒室（以下簡(jiǎn)稱燃燒室）如何在TBCC各工作模態(tài)下，高效組織燃燒是該類型TBCC研究的關(guān)鍵技術(shù)之一[4-7]。在低速飛行時(shí)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通道（內(nèi)涵）和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通道（外涵）的壓差很大，要通過空氣調(diào)節(jié)裝置將沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通道關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)完全以燃?xì)鉁u輪模態(tài)工作，此時(shí)，燃燒室具有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的特性。同樣，在高馬赫數(shù)條件下，氣動(dòng)加熱對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有重大影響，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)受到破壞，空氣調(diào)節(jié)裝置將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通道關(guān)閉，使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通道與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通道隔離，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)完全以沖壓模態(tài)工作，燃燒室具有亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的特性。由于渦輪、沖壓2種模態(tài)轉(zhuǎn)換過程無法在瞬間完成，另外，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)推力在轉(zhuǎn)換中劇烈波動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)2個(gè)模態(tài)之間的轉(zhuǎn)換采用逐漸過渡的方式（模態(tài)轉(zhuǎn)換）。因此，在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中內(nèi)、外涵氣流經(jīng)過摻混后進(jìn)入燃燒室。采用3維CFD數(shù)值模擬的方法，可以對(duì)燃燒室工作過程進(jìn)行全面細(xì)致的研究。此外，燃燒室內(nèi)放置火焰穩(wěn)定器等阻塞部件，為流場(chǎng)研究帶來一定困難，采用3維CFD數(shù)值模擬的方法，可以幫助篩選燃燒室設(shè)計(jì)方案。

本文基于小型遠(yuǎn)程高速飛行器對(duì)TBCC的需求，開展了小型TBCC燃燒室研究，采用CFD技術(shù)對(duì)TBCC不同模態(tài)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)及燃燒過程進(jìn)行了模擬和分析，并對(duì)含單環(huán)和雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室性能進(jìn)行了比較。

1 含單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室內(nèi)部流動(dòng)及燃燒模擬

1.1燃燒室工作過程CFD模擬

燃燒室內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，無論試驗(yàn)還是理論研究都有很大困難。CFD的不斷發(fā)展為研究工作開辟了新的道路，把擴(kuò)壓器和燃燒段作為1個(gè)整體，模擬了燃燒室在不同模態(tài)下的工作過程。在3維CFD模擬之前，有必要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化原則是抓住影響流場(chǎng)特征的主要因素。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將TBCC內(nèi)涵熱氣流成分簡(jiǎn)化為熱空氣。

燃燒室的關(guān)加力模態(tài)是冷態(tài)流場(chǎng)，即單相流場(chǎng)。湍流模型采用κ-ε模型的氣相N-S方程。燃燒室的開加力、模態(tài)轉(zhuǎn)換、沖壓模態(tài)均涉及燃燒，屬于2相流場(chǎng)，在計(jì)算時(shí)需要加入相關(guān)組分方程、離散相液滴方程等。燃燒模型采用基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的渦耗散概念模型。燃燒室3維CFD模擬所涉及的邊界條件有以下幾類：進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件。燃燒室進(jìn)口（即擴(kuò)壓器進(jìn)口，燃燒室包括擴(kuò)壓器和燃燒段，氣體經(jīng)擴(kuò)壓器減速增壓后進(jìn)入燃燒段燃燒）選取壓力進(jìn)口邊界條件，出口選取壓力出口邊界條件，壁面邊界條件采用無滑移邊界條件。由0維程序計(jì)算（考慮了來流和燃燒室下游阻塞條件）的燃燒室進(jìn)口參數(shù)見表1，表中選取了TBCC沿飛行軌跡工作不同模態(tài)的4個(gè)工作點(diǎn)。在不同模態(tài)，燃燒室要能夠在內(nèi)涵熱氣流、內(nèi)、外涵摻混、外涵冷氣流等來流條件下穩(wěn)定工作，區(qū)別于傳統(tǒng)的加力燃燒室和沖壓燃燒室的標(biāo)志。燃燒室出口參數(shù)（0維程序計(jì)算結(jié)果）見表2。含有單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口（此時(shí)燃燒室長(zhǎng)度LT=4.1929）參數(shù)CFD模擬結(jié)果見表3。

表1 燃燒室進(jìn)口參數(shù)（參數(shù)均經(jīng)無量綱處理）

表2 燃燒室出口參數(shù)（0維程序計(jì)算結(jié)果）

表3 燃燒室出口CFD模擬結(jié)果

1.2模擬結(jié)果對(duì)比及分析

由表2和表3對(duì)比可見，關(guān)加力模態(tài)是單純的氣體流動(dòng)模擬，不涉及燃燒模擬，氣體流動(dòng)過程中僅產(chǎn)生流動(dòng)損失，所以CFD模擬結(jié)果與0維程序計(jì)算的結(jié)果（見表2）吻合較好。然而，對(duì)于其他3個(gè)模態(tài)燃燒室出口的總溫和馬赫數(shù)來說，CFD模擬結(jié)果與0維程序計(jì)算結(jié)果有一定差異。

在開加力模態(tài)燃燒室進(jìn)口氣流溫度較高，燃油在火焰穩(wěn)定器前方蒸發(fā)度可達(dá)80%以上，比較容易組織燃燒[8]，此外，當(dāng)進(jìn)行CFD模擬時(shí)，設(shè)置進(jìn)入燃燒室的氣流為熱空氣，其含氧量高于渦輪出口燃?xì)獾?，?dǎo)致開加力模態(tài)3維CFD模擬得出燃燒室出口總溫高于0維計(jì)算結(jié)果；在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，沖壓外涵通道打開，燃燒室進(jìn)口有冷氣流入，因此，進(jìn)口氣流溫度低，燃油在火焰穩(wěn)定器前方的蒸發(fā)度較低，此外，冷、熱氣流摻混造成一定總壓損失，致使燃燒組織比較困難；在沖壓模態(tài)下，進(jìn)入燃燒室的氣流全部為經(jīng)沖壓外涵壓縮的空氣，氣流溫度相對(duì)較低，導(dǎo)致燃油蒸發(fā)度很低，燃燒效率不高。

0維程序僅能計(jì)算燃燒室進(jìn)口和出口氣動(dòng)參數(shù)，進(jìn)、出口截面的總壓損失、溫升等系數(shù)均由燃燒室特性圖給出[9]，并不涉及火焰穩(wěn)定器放置、燃油噴射等因素對(duì)出口溫度的影響。這些都是造成0維程序計(jì)算和3維CFD模擬結(jié)果有差異的原因。但從發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)角度以及燃燒室內(nèi)部流動(dòng)、燃燒機(jī)理研究等方面來說，這種采用0維程序計(jì)算結(jié)果作為3維CFD模擬輸入的研究方法是可行的。

燃燒室在不同模態(tài)下工作的內(nèi)部流動(dòng)馬赫數(shù)分布如圖1所示。從圖1（a）中可見，擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流速度較高，氣流通過擴(kuò)壓器后減速增壓，火焰穩(wěn)定器對(duì)氣流的擾動(dòng)形成有利于火焰?zhèn)鞑サ牡退倭鲃?dòng)區(qū)。擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流分為綠色和藍(lán)色2路，如圖1（c）所示，其中流速較高的綠色氣流為沖壓外涵氣流、流速較低的藍(lán)色氣流為渦輪內(nèi)涵氣流。擴(kuò)壓器中藍(lán)色區(qū)域?yàn)闇u輪內(nèi)涵流道，如圖1（d）所示，沖壓模態(tài)下該區(qū)域關(guān)閉，氣流沿外涵直接流入擴(kuò)壓器。

圖1 含單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室不同模態(tài)馬赫數(shù)分布

燃燒室在不同模態(tài)下工作的內(nèi)部總溫分布如圖2所示。從圖中可見，擴(kuò)壓器出口處（發(fā)動(dòng)機(jī)中心錐后部）氣流流速較低，利于火焰?zhèn)鞑?，而且，此處因局部富油，?dǎo)致溫度較高?；鹧娣€(wěn)定器對(duì)氣流的擾動(dòng)形成有利于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑サ臍饬鞯退倭鲃?dòng)區(qū)，此類區(qū)域總溫較高。從圖2（b）中可見，來流為渦輪出口的熱氣流，且集中在燃燒室中部區(qū)域，有利于燃燒。從圖2（c）中可見，來流為內(nèi)、外涵不同速度的熱、冷氣流，2股氣流摻混后進(jìn)行燃燒，對(duì)燃燒效率會(huì)產(chǎn)生一定影響。從圖2（d）中可見，內(nèi)涵關(guān)閉，來流為外涵冷氣流，沿著壁面區(qū)域流入（圖中燃燒室進(jìn)口深藍(lán)色區(qū)域），且分散在燃燒室壁面區(qū)域，燃燒室中部溫度較低，導(dǎo)致燃燒室出口總溫較低。此外，由于內(nèi)涵關(guān)閉，一部分外涵來流在內(nèi)涵進(jìn)口區(qū)域減速（圖中燃燒室進(jìn)口淺綠色區(qū)域），此處氣流總溫升高。

圖2 含單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室不同模態(tài)總溫分布

燃燒室在不同模態(tài)的內(nèi)部流動(dòng)總壓分布如圖3所示。從圖3（d）中可見，擴(kuò)壓器中紅色區(qū)域?yàn)橥夂錃饬?、黃色區(qū)域?yàn)閮?nèi)涵熱氣流、冷熱氣流在擴(kuò)壓器中混合造成一定總壓損失?；鹧娣€(wěn)定器對(duì)氣流的擾動(dòng)也形成總壓相對(duì)較低的區(qū)域，如圖3（a）所示。另外，火焰穩(wěn)定器處的燃油燃燒也會(huì)降低總壓。

圖3 含單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室不同模態(tài)總壓分布

2 含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室內(nèi)部流動(dòng)及燃燒模擬

不同環(huán)數(shù)火焰穩(wěn)定器對(duì)燃燒室長(zhǎng)度的影響如圖4所示。在燃燒室半徑和火焰?zhèn)鞑ソ嵌纫欢ǖ那闆r下，火焰穩(wěn)定器環(huán)數(shù)越多，燃燒室長(zhǎng)度越短。此外，為提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性，火焰穩(wěn)定器往往采用多環(huán)形式[10]。以下研究含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器燃燒室的內(nèi)部流動(dòng)、燃燒過程。

圖4 不同環(huán)數(shù)火焰穩(wěn)定器對(duì)燃燒室長(zhǎng)度的影響

含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室進(jìn)口參數(shù)見表1?；贑FD模擬得到的含有雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口（此時(shí)整個(gè)燃燒室長(zhǎng)度為L(zhǎng)T=2.4729）參數(shù)見表4。對(duì)含有雙環(huán)火焰穩(wěn)定器和含有單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室CFD模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，二者的出口參數(shù)相差不大，但雙環(huán)火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)可以有效縮短燃燒室長(zhǎng)度、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，然而燃燒室出口總溫和馬赫數(shù)依然與0維程序計(jì)算結(jié)果依然有出入，原因同第1.2節(jié)。

表4 含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室CFD模擬結(jié)果

提高燃燒效率的方法之一是增加燃燒室的長(zhǎng)度。隨著燃燒室長(zhǎng)度的增加，燃燒效率提高，燃燒室溫度升高[8]，將含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口截面延長(zhǎng)至LT=4.1929（含單環(huán)火焰穩(wěn)定器燃燒室長(zhǎng)度）處，其出口參數(shù)CFD模擬結(jié)果見表5。從表中可見，延長(zhǎng)燃燒室長(zhǎng)度有利于燃燒和提高燃燒室出口的總溫，在同樣長(zhǎng)度下含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口總溫高于含有單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室。延長(zhǎng)燃燒室出口截面至4.1929 m處的CFD數(shù)值模擬結(jié)果與0維程序計(jì)算結(jié)果更接近。

表5 含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室CFD模擬結(jié)果（LT=4.1929）

含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)馬赫數(shù)、總溫、總壓分布如圖5～7所示。

圖5 含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室不同模態(tài)馬赫數(shù)分布

圖6 含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室不同模態(tài)總溫分布

圖7 含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室不同模態(tài)總壓分布

3 結(jié)論

以0維串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算程序在關(guān)加力模態(tài)、開加力模態(tài)、模態(tài)轉(zhuǎn)換和沖壓模態(tài)計(jì)算的主要截面參數(shù)為進(jìn)口條件，對(duì)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)、燃燒過程進(jìn)行模擬。得出以下結(jié)論：（1）3維CFD模擬是對(duì)0維程序計(jì)算的補(bǔ)充，采用3維CFD數(shù)值模擬能夠直觀表現(xiàn)出燃燒室內(nèi)部摻混、流動(dòng)、燃燒過程。從渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)的角度考慮，采用3維CFD數(shù)值模擬方法能夠給出燃燒室基本尺寸量級(jí)。

（2）對(duì)燃燒室內(nèi)部冷態(tài)、熱態(tài)流動(dòng)、燃燒過程進(jìn)行了模擬和分析。通過對(duì)含單環(huán)和雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口參數(shù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在同等長(zhǎng)度下含有雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口溫度更高。

（3）3維CFD數(shù)值模擬的湍流模型、燃油噴射初始條件、燃油蒸發(fā)過程等假設(shè)對(duì)模擬結(jié)果影響很大，模擬結(jié)果還缺乏相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，下一步應(yīng)同時(shí)開展數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法開展深入研究。

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Flow and Combustion Simulation of Augmented/Ram jet Burner for Turbine Based Combined Cycle Engine

WANG Yu-Nan1，WANG Zhan-Xue2，ZHANG Jun-Feng1
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.Collegeofpowerand Energy,Northwestern PolytechnicalUniversity,Xi'an 710072,China）

To investigate the vortex distribution characteristics of augmented/ramjet burner,themain section parameters of Turbine Based Combined Cycle(TBCC)enginewere obtained by 0-dimension numerical computation program.The flow and combustion state of the turbine/ramjet combined engine at close augmented burner mode,open augmented burner mode,mode transition and ramjetmode were simulated based on Computational Fluid Dynamics(CFD)simulation method.The influences of single-ring and double-ring flameholder on the length of augmented/ram jet burner were analyzed.The contrast result show that the exit total temperature of burner with double-ring flameholderwas higher than thatwith single-ring flameholder at the same length.

augmented/ram jetburner;TBCC;flow;combustion；CFD;simulation

2012-05-24

王玉男（1984），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)工作。