不同旋流情況對旋轉(zhuǎn)流線渦燃燒室性能的影響

楊立山，劉國庫，張智博，鄭洪濤

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽 110015；2.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

符號表

ρ 密度，k g·m-3

Sm連續(xù)方程源項(xiàng)，表示從離散相傳播給連續(xù)相的質(zhì)量生成率或其他源項(xiàng)

P 靜壓，P a

τ 混合物黏性應(yīng)力張量

Ji組元i的質(zhì)量擴(kuò)散通量

q 輻射換熱量，J·m-2·s-1

Ri化學(xué)反應(yīng)中組元i質(zhì)量生成速率

κ 湍動(dòng)能，m2·s-2

ε 湍動(dòng)能耗散率，m2·s-3

GK由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能變化率

Gb由浮力引起的湍動(dòng)能變化率

YK由可壓縮湍流的波動(dòng)擴(kuò)散引起的全局耗散率

Sε、SK用戶自定義源項(xiàng)

C1ε、C2ε、C3ε經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別等于1.44、1.92、0

YP生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

YR部分反應(yīng)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

A、B 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別等于4.0、0

0 引言

傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室主要采用壓力渦的形式，使進(jìn)入燃燒室的氣體在旋流器后形成低壓區(qū)，達(dá)到火焰穩(wěn)定燃燒的目的。但當(dāng)主流進(jìn)氣速度較大時(shí)，壓力渦容易破碎，并導(dǎo)致熄火等問題。最近幾十年，駐渦燃燒器得到更加廣泛地研究和發(fā)展[1-2]，并被逐漸應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，其特點(diǎn)是該類型的渦只與產(chǎn)生渦的凹腔結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與主流速度無關(guān)，因此在較大進(jìn)氣速度時(shí)仍能提供穩(wěn)定的點(diǎn)火源。另外，其在結(jié)構(gòu)與穩(wěn)焰原理上有較大革新，與傳統(tǒng)燃燒室相比，駐渦燃燒室已被證明具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低、燃燒穩(wěn)定、NOX排放少和燃料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。在燃燒技術(shù)及駐渦燃燒室方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。宋雙文等[6-7]采用凹腔駐渦燃燒室作為渦輪級間燃燒室，設(shè)計(jì)加工了全環(huán)凹腔駐渦燃燒室試驗(yàn)件，進(jìn)行了試驗(yàn)研究；金義等[8]針對使用航空煤油的RQL工作模式的駐渦燃燒室排放性能開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，分析總結(jié)了駐渦區(qū)余氣系數(shù)、進(jìn)口空氣流量和進(jìn)口空氣溫度等參數(shù)影響RQL工作模式駐渦燃燒室排放性能的變化規(guī)律；丁國玉等[9]開展了進(jìn)口空氣馬赫數(shù)、駐渦區(qū)余氣系數(shù)影響渦輪級間燃燒室燃燒性能的試驗(yàn)研究，獲得了燃燒室性能參數(shù)的變化規(guī)律；臧鵬等[10]設(shè)計(jì)了1種基于凹腔駐渦的無焰燃燒室，并對其進(jìn)行了0維和3維數(shù)值計(jì)算；P.K.Ezhil Kumar等[11]通過使用數(shù)學(xué)上SSTk-e模型和渦耗散燃燒模型研究了3維駐渦燃燒室凹腔中的反應(yīng)和無反應(yīng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對比；Fei Xing等[12]使用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法研究了幾種凹腔駐渦形式對火焰穩(wěn)定性的影響，并建立了預(yù)測貧油熄火極限的經(jīng)驗(yàn)公式；JINYi[13]等提出并討論了1種改進(jìn)型的駐渦燃燒室，分析了燃燒效率與過量空氣系數(shù)、進(jìn)口馬赫數(shù)的關(guān)系及進(jìn)、出口溫度分布情況；ChaoukiGhenai[14]等使用數(shù)值模擬方法研究了使用氫氣或合成氣等可再生能源替代傳統(tǒng)天然氣時(shí)對駐渦燃燒室性能的影響；文獻(xiàn)[15]詳細(xì)研究了凹腔結(jié)構(gòu)和位置對駐渦區(qū)旋渦的影響。

雖然上述研究取得了一定成果，但大部分研究集中于以GE公司第3代凹腔駐渦燃燒室為核心結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)駐渦燃燒室上，該燃燒室雖然整體性能較好，但存在火焰長度普遍較長和燃燒效率并不理想等問題，影響了駐渦燃燒室的發(fā)展和實(shí)用化設(shè)計(jì)。張智博等[16]基于凹腔駐渦燃燒室基本結(jié)構(gòu)提出了1種新的燃燒流場組織技術(shù)——旋轉(zhuǎn)流線渦技術(shù)（Revolving Streamline Vortex Technology,RSVT），并分析了該技術(shù)與傳統(tǒng)駐渦燃燒技術(shù)在不同進(jìn)氣條件下對燃燒室渦及燃燒性能的影響。

本文以旋轉(zhuǎn)流線渦燃燒室為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法研究了不同旋流器位置和數(shù)量對該燃燒室冷態(tài)流場和燃燒性能的影響，為旋轉(zhuǎn)流線渦的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考。

1 模型及邊界條件

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

參照文獻(xiàn)[12，16]中駐渦燃燒室的結(jié)構(gòu)尺寸，建立了旋轉(zhuǎn)流線渦燃燒室的幾何模型，如圖1所示。該燃燒室由主流進(jìn)氣段、機(jī)匣進(jìn)氣段、凹腔、蒸發(fā)管、摻混段和出口段等基本結(jié)構(gòu)組成。燃燒室全長255mm，凹腔長52mm、寬65mm、高50mm。根據(jù)旋轉(zhuǎn)流線渦燃燒室的基本原理，在凹腔前設(shè)置了旋流器。

圖1 旋轉(zhuǎn)流線駐渦燃燒室?guī)缀文Ｐ?/p>

由于旋流器和混合管等部分幾何形狀比較復(fù)雜，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為在現(xiàn)有計(jì)算能力下盡可能提高計(jì)算精度，運(yùn)用ICEMCFD12.0軟件采用6面體核心網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并在存在局部細(xì)小結(jié)構(gòu)的部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密。中截面網(wǎng)格形式如圖2所示。

圖2 中截面網(wǎng)格形式

1.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒定律為

動(dòng)量守恒定律為

能量守恒定律為

組分輸運(yùn)方程為

為封閉方程組，采用Realizable湍流模型描述湍流流動(dòng)，其修正了湍動(dòng)黏度，考慮了旋流流動(dòng)和曲率變化，并修正了光譜能量轉(zhuǎn)換并約束了時(shí)均應(yīng)變率；同時(shí)采用新的湍流耗散率方程，更適于模擬本文模型及問題。該方程形式為

1.3 邊界條件

根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況分析，采用的邊界條件及參數(shù)見表1。其中計(jì)算時(shí)采用的操作壓力為2026500Pa。各進(jìn)口邊界所代表的截面如圖3、4所示。

表1 邊界條件及參數(shù)

圖3 進(jìn)、出口邊界

圖4 蒸發(fā)管及邊界

2 旋流器位置對性能的影響

2.1 在不同旋流器位置時(shí)冷態(tài)場對比分析

定義旋流器距離燃燒室頭部為88、106和128mm處分別為位置1、2和3。

為比較幾種燃燒室的冷態(tài)流場，圖5給出了幾種不同旋流器位置時(shí)旋轉(zhuǎn)流線渦燃燒室橫截面的冷態(tài)場渦量。從圖中可見，在燃燒室流場凹腔內(nèi)均存在較大的回流區(qū)域，對穩(wěn)定火焰、組織燃燒起到很大作用，符合駐渦燃燒的特點(diǎn)。比較分析后可見，在位置1時(shí)產(chǎn)生的流線渦是最好的，位置2時(shí)的則相反。表明旋流器在位置1時(shí)更易于穩(wěn)定燃燒，也比后2種位置的流線渦穩(wěn)定，不易脫落。

為比較幾種形式的燃燒室空氣與燃料的摻混效果，圖6給出了幾種不同旋流器位置時(shí)旋轉(zhuǎn)流線渦燃燒室縱剖面的冷態(tài)場渦量。從圖中可見，隨著旋流器位置的改變，產(chǎn)生的流線渦也發(fā)生了明顯變化。當(dāng)旋流器在位置1時(shí)摻混效果最好，而隨著旋流器靠近凹腔，摻混效果有逐漸變好的趨勢，但總體上還是在位置1時(shí)效果最佳。旋流器在位置1時(shí)形成渦較少且分散，說明主流空氣更易于將燃料打散，更有益于燃料與空氣摻混，使燃燒性能更好。

圖5 在不同旋流器位置時(shí)的橫截面的渦量

圖6 在不同旋流器位置時(shí)的渦量

2.2 在不同旋流器位置時(shí)燃燒場對比分析

不同旋流器位置時(shí)的燃燒效率如圖7所示。從圖中可見，燃燒效率隨旋流器位置的后移先降低后提高，在位置1時(shí)最高，在位置2時(shí)則相反。

圖7 在不同旋流器位置時(shí)的燃燒效率

采用C O2摩爾分?jǐn)?shù)判斷火焰長度的方法，比較了不同旋流器位置時(shí)的火焰長度，結(jié)果如圖8所示。從圖中可見，在3種旋流器位置時(shí)火焰長度分別為5 0、6 0、5 2m m。當(dāng)旋流器位置向凹腔靠近時(shí)，并沒有改善燃燒情況，反而在位置2時(shí)，火焰長度最長，表明造成燃料裂解不夠完全，空氣與燃料摻混不夠充分，從而使火焰長度較長。隨著旋流器位置進(jìn)一步移近凹腔，火焰長度有所縮短，但即使緊靠凹腔時(shí)，火焰長度還是比旋流器在位置1時(shí)的長些，其燃燒情況最為理想。

圖8 在不同旋流器位置時(shí)CO2的摩爾分?jǐn)?shù)

3 旋流器數(shù)量對性能的影響

3.1 在不同旋流器數(shù)量時(shí)冷態(tài)場對比分析

橫截面與縱剖面渦量對比分別如圖9、1 0所示。

通過對比可見，3旋流器與雙旋流器在Z中截面產(chǎn)生渦的差異并不大，但前者產(chǎn)生的渦范圍更大。而在X中截面，3旋流器產(chǎn)生的流線渦比雙旋流器的更理想，空氣與燃料摻混更好，從而使燃燒性能更好。

圖9 橫截面渦量對比

圖10 縱剖面渦量對比

3.2 在不同旋流器數(shù)量時(shí)燃燒場對比分析

文獻(xiàn)[16]已經(jīng)證實(shí)，在傳統(tǒng)駐渦燃燒室頭部加裝旋流器會(huì)增加壓力損失和耗油率。所以當(dāng)采用不同數(shù)目旋流器時(shí)，首先計(jì)算燃燒室的壓力損失，以驗(yàn)證燃燒室的性能。根據(jù)數(shù)值模型結(jié)果求出雙旋流器與3旋流器的總壓損失系數(shù)分別為13.1%和14.3%。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)將旋流器數(shù)目增至3個(gè)后，壓力損失增大了1%，這是由于受燃燒室尺寸的限制，旋流器所占的總體積有限，增加1個(gè)旋流器后壓力損失增大得并不十分明顯。

不同旋流器數(shù)目時(shí)壁面溫度分布如圖11所示。

圖11 在不同旋流器數(shù)目時(shí)壁面溫度分布

從圖中可見，3旋流器的壁面溫度場比雙旋流器的更理想，局部高溫區(qū)有所消退。但2種結(jié)構(gòu)下燃燒室的壁面溫度都較高，且存在局部高溫區(qū)。這是由于在數(shù)值模擬中將燃燒室壁面按照絕熱壁面進(jìn)行處理，無法與燃燒室外的空氣進(jìn)行導(dǎo)熱，從而使得壁溫偏高。

與第2.2節(jié)采用相同的CO2摩爾分?jǐn)?shù)法來確定火焰長度，采用雙旋流器與3旋流器的火焰長度分別為52和50mm。二者相差較小，說明旋流器數(shù)目對燃燒室火焰長度的影響并不明顯。

4 結(jié)論

（1）旋流器距離燃燒室頭部為88mm時(shí)，流線渦效果最好，燃燒效率最高，火焰長度最短，并且燃燒效果最理想。

（2）旋流器數(shù)目的改變對壓力損失和火焰長度的影響并不明顯，但3旋流器比雙旋流器的壁面溫度場更為理想。

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