新型沙丘形突擴(kuò)燃燒室三維冷態(tài)迎風(fēng)角度研究*

李 凱,曾卓雄,徐義華

(1 南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院,南昌 330063;2 上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

新型沙丘形突擴(kuò)燃燒室三維冷態(tài)迎風(fēng)角度研究*

李 凱1,曾卓雄2,徐義華1

(1 南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院,南昌 330063;2 上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

對(duì)沙丘形突擴(kuò)燃燒室而言,適當(dāng)?shù)挠L(fēng)角度能夠保證沙丘的低阻特性并得到穩(wěn)定的回流區(qū)。文中采用Realizablek-ε湍流模型和二階差分格式對(duì)該燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,詳細(xì)分析了冷態(tài)條件下,當(dāng)突擴(kuò)比和背風(fēng)角度一定時(shí),不同迎風(fēng)角度(0～70°)下沙丘突擴(kuò)燃燒室內(nèi)的流動(dòng)特性,并總結(jié)了迎風(fēng)角度對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律,結(jié)果表明:迎風(fēng)角度40°時(shí),燃燒室總壓損失小、回流區(qū)流動(dòng)穩(wěn)定且形狀均勻飽滿,燃燒室綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

沙丘形突擴(kuò)燃燒室;迎風(fēng)角度;冷態(tài)流場(chǎng)

0 引言

在燃燒工程中,常利用低速區(qū)和回流區(qū)來實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定[1]。突擴(kuò)燃燒室的突擴(kuò)外形能使氣流分離,而分離流在壓力梯度作用下產(chǎn)生回流區(qū),從而達(dá)到穩(wěn)定火焰的作用,并作為穩(wěn)定的點(diǎn)火源[2]。突擴(kuò)燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是存在火焰穩(wěn)定性差、燃燒效率低、總壓損失較大等缺點(diǎn)[3-4]。

相比常規(guī)突擴(kuò)燃燒室,根據(jù)沙丘外形設(shè)計(jì)的沙丘突擴(kuò)燃燒室擁有更好的流場(chǎng)穩(wěn)定性以及更小的壓力損失,具有良好的應(yīng)用價(jià)值。在沙丘形突擴(kuò)燃燒室中,主要存在3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),即迎風(fēng)角度、背風(fēng)角度和突擴(kuò)比[5-7],它們將影響燃燒室內(nèi)部的流動(dòng)特性。而對(duì)于突擴(kuò)燃燒室來說,內(nèi)部回流區(qū)的大小、位置以及回流量關(guān)系到燃燒室的整體性能。當(dāng)前,沙丘形突擴(kuò)燃燒室屬于較新的突擴(kuò)燃燒室概念,對(duì)該燃燒室進(jìn)行的研究尚少。筆者[8]對(duì)背風(fēng)角度變化的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,證實(shí)了沙丘形突擴(kuò)燃燒室阻力小、駐渦穩(wěn)定的特性,并得到了背風(fēng)角度對(duì)燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律。文中在給定背風(fēng)角度和突擴(kuò)比的條件下,進(jìn)一步分析迎風(fēng)角度變化對(duì)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)特性的影響,為沙丘形突擴(kuò)燃燒室設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

圖1所示為沙丘形突擴(kuò)燃燒室三維計(jì)算模型,圖2為中心對(duì)稱截面示意圖。其中外徑D=2R=120 mm,內(nèi)徑d=2r=80 mm,突擴(kuò)高度h=20 mm,定義突擴(kuò)比E=D/d=3/2,背風(fēng)角度β=40°,迎風(fēng)角度α=0～70°;為保證出口不出現(xiàn)回流,燃燒室尺寸取足夠長,不低于10倍突擴(kuò)高度。

圖1 沙丘形突擴(kuò)燃燒室模型

圖2 中心對(duì)稱截面

湍流模型采用Realizablek-ε模型,選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(standard wall function)。對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。來流條件采用速度入口邊界條件,來流速度V=40 m/s;出口采用壓力出口邊界條件,出口壓力定為大氣壓。速度-壓力耦合采用SIMPLE方法,時(shí)間上采用隱式方法,定常求解。

在Realizablek-ε模型中,k與ε的輸運(yùn)方程如下:

詳見文獻(xiàn)[9]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 算例驗(yàn)證

對(duì)具有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的中心突擴(kuò)燃燒室流動(dòng)[10]進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到回流區(qū)最大負(fù)速度絕對(duì)值u1與入口速度u的關(guān)系,如圖3所示。由圖3可知,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值差異很小,從而表明文中所用的數(shù)值模擬計(jì)算方法是可信的。

圖3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.2 總壓損失分析

定義出口總壓損失系數(shù)δ為:

圖4 燃燒室總壓損失系數(shù)

圖4為總壓損失系數(shù)隨迎風(fēng)角度改變的變化圖。在迎風(fēng)角為0°時(shí),燃燒室前段對(duì)來流沒有形阻,只有較小的摩擦阻力,總壓損失系數(shù)很小。迎風(fēng)角為10°時(shí),總壓損失系數(shù)有一個(gè)明顯的上升,此后隨著迎風(fēng)角逐漸增大,總壓損失系數(shù)基本呈線性增加。這是因?yàn)橛L(fēng)角越大,迎風(fēng)坡對(duì)來流的阻礙作用越明顯,氣流沖擊壁面作用也越強(qiáng),劇烈的摩擦增加了總壓的損失。當(dāng)迎風(fēng)角為70°時(shí),總壓損失系數(shù)達(dá)到3.51%,其數(shù)值已經(jīng)很大,若再增加迎風(fēng)角度,則總壓損失必然繼續(xù)增加,燃燒室將失去沙丘突擴(kuò)的低阻特性。

2.3 流動(dòng)速度與壓力分析

圖5和圖6分別為燃燒室迎風(fēng)角40°時(shí)突擴(kuò)口下游沿流動(dòng)方向近壁面的速度和靜壓分布圖(其他迎風(fēng)角度下具有類似的分布)。再附著點(diǎn)是回流區(qū)與主流的分界,旋渦在該點(diǎn)后分流。圖5中X軸方向速度為0的點(diǎn)近似為流場(chǎng)的再附著點(diǎn)。根據(jù)再附著點(diǎn)的位置,可以得到突擴(kuò)回流區(qū)的長度[12],迎風(fēng)角為40°時(shí)的回流區(qū)長度約為10.1倍的突擴(kuò)高度。在圖6中,從再附著點(diǎn)到背風(fēng)坡坡腳處,壓力先快速下降,然后緩慢恢復(fù)。突擴(kuò)臺(tái)階后部壓力下降成為低壓區(qū),驅(qū)動(dòng)氣流偏折,形成回流。快速壓降伴隨回流速度的增大,較大的壓力梯度使得流線圖中的流線在對(duì)應(yīng)區(qū)域劇烈彎曲。隨著壓力的上升,回流速度開始較小,但壓力恢復(fù)緩慢,梯度小,故對(duì)應(yīng)區(qū)域流線曲率較小。

圖5 突擴(kuò)口下游近壁面速度分布

圖6 突擴(kuò)口下游近壁面靜壓分布

取沿流動(dòng)方向距壁面高度為0.3h和0.6h位置處進(jìn)行壓力分布分析。由圖7可知,回流區(qū)內(nèi)沿流動(dòng)方向的壓力分布基本相同,這兩個(gè)位置處的壓力線與壁面壓力線重合,與Chaturvedi[11]的結(jié)果一致。

圖7 回流區(qū)內(nèi)不同高度上的靜壓分布

表1為不同迎風(fēng)角度下突擴(kuò)口下游近壁面突擴(kuò)回流區(qū)長度。隨著迎風(fēng)角的增大,回流區(qū)長度也隨之增長,但增長速度逐漸放緩,40°～70°時(shí)回流區(qū)長度已比較接近。燃燒室火焰?zhèn)鞑ダ碚撜J(rèn)為回流面積大小是影響燃燒穩(wěn)定性能的關(guān)鍵因素?；亓鲄^(qū)要發(fā)揮穩(wěn)定火焰的作用,必須具備足夠的能量強(qiáng)度和能量總量,這就要求回流區(qū)面積不能太小,否則會(huì)影響火焰?zhèn)鞑サ男Ч?。另一方?大回流區(qū)面積對(duì)應(yīng)大迎風(fēng)角度,大的迎風(fēng)角度下總壓損失大,所以在選擇迎風(fēng)角度時(shí)應(yīng)綜合考慮這兩者的影響,以使燃燒室性能達(dá)到最佳。

表1 不同迎風(fēng)角度下突擴(kuò)口下游近壁面突擴(kuò)回流區(qū)長度

2.4 湍流強(qiáng)度

由圖8可知,不同迎風(fēng)角度下湍流強(qiáng)度分布是相似的,即在近壁面兩側(cè)湍流強(qiáng)度集中分布,存在一個(gè)最大強(qiáng)度中心,中心外側(cè)逐層減弱。隨著迎風(fēng)角度的增大,近壁面兩側(cè)湍流強(qiáng)度逐步增大,并且強(qiáng)度中心逐漸向出口移動(dòng)。高湍流強(qiáng)度利于形成不連續(xù)的火焰面,使流場(chǎng)中散布多個(gè)點(diǎn)火源,加速火焰?zhèn)鞑ァＭ瑫r(shí),主流附近流體湍流度高,能促進(jìn)區(qū)域內(nèi)燃料的摻混,使得燃燒更充分。低湍流度表示流動(dòng)平穩(wěn),利于火焰的穩(wěn)定駐留[13]?？傊?確定最佳迎風(fēng)角度時(shí)需要酌情考慮湍流強(qiáng)度的影響。

圖8 不同迎風(fēng)角度下Y=0截面上的湍流強(qiáng)度分布

2.5 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖9是不同迎風(fēng)角度下Y=0和Z=0截平面的等值流線圖。當(dāng)迎風(fēng)角度α=0°時(shí),燃燒室內(nèi)并未形成回流區(qū)。這是因?yàn)樗絹砹鹘?jīng)過突擴(kuò)口時(shí),由于背風(fēng)角度較小,流道形成漸變擴(kuò)張,從而導(dǎo)致突擴(kuò)臺(tái)階后部不能產(chǎn)生明顯的低壓區(qū)。沒有回流區(qū)的產(chǎn)生就不能穩(wěn)定火焰,不會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源,所以0°迎風(fēng)角不能應(yīng)用于該燃燒室。

當(dāng)迎風(fēng)角度α=10°時(shí),Y=0截面中上下側(cè)旋渦基本對(duì)稱,兩者流向相反,但流線都背離渦核,是不穩(wěn)定的。Z=0截面中上下側(cè)旋渦也對(duì)稱,不同的是它們的流線指向渦核,是穩(wěn)定的[14]。由表1知,其回流區(qū)長度小,故回流區(qū)面積小,可能會(huì)影響到火焰擴(kuò)散的效果。

當(dāng)迎風(fēng)角度α=20°時(shí),Y=0截面中形成了一對(duì)對(duì)稱的旋渦,兩者都是不穩(wěn)定的,因?yàn)榱骶€背離渦核。Z=0截面中下側(cè)旋渦流線指向渦核,是穩(wěn)定的。上側(cè)旋渦流線指向渦核,雖然穩(wěn)定,但該渦的形狀飽滿而不均勻,前側(cè)流線未和燃料進(jìn)行摻混就直接卷入回流區(qū),不利于高效燃燒。

當(dāng)迎風(fēng)角度α=30°時(shí),Y=0截面中上下側(cè)旋渦也是對(duì)稱的,流線同樣背離渦核,是不穩(wěn)定的。Z=0截面中下側(cè)旋渦流線指向渦核,是穩(wěn)定的。上側(cè)旋渦流線指向渦核,是穩(wěn)定的。與20°時(shí)相似,渦的形狀飽滿而不均勻,但比20°時(shí)有所改善。

當(dāng)迎風(fēng)角度α=40°時(shí),Y=0截面中上下側(cè)旋渦形狀對(duì)稱,然而穩(wěn)定性卻不同。上側(cè)旋渦流線背離渦核,不穩(wěn)定。下側(cè)旋渦流線外層背離渦核,不穩(wěn)定;內(nèi)層流向指向渦核,是穩(wěn)定的,且穩(wěn)定性較上述角度有所好轉(zhuǎn)。Z=0截面中是一對(duì)對(duì)稱的旋渦,上側(cè)旋渦流線指向渦核,穩(wěn)定;下側(cè)旋渦存在穩(wěn)定極限環(huán),極限環(huán)內(nèi)部流線指向渦核,外部流線背離渦核,經(jīng)歷了一次分叉運(yùn)動(dòng),由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定[15]。其回流區(qū)長度有明顯的增長,回流區(qū)面積大,有利于發(fā)揮穩(wěn)定火焰的效能。

當(dāng)迎風(fēng)角度α=50°、60°時(shí),Y=0截面中上側(cè)旋渦流線背離渦核,不穩(wěn)定;下側(cè)旋渦存在穩(wěn)定的極限環(huán),但流線仍背離渦核,也是不穩(wěn)定的。Z=0截面中上下側(cè)旋渦是對(duì)稱穩(wěn)定的,其形狀均勻飽滿,利于形成穩(wěn)定的點(diǎn)火源。

當(dāng)迎風(fēng)角度α=70°時(shí),Y=0截面中上下側(cè)旋渦流線背離渦核,不穩(wěn)定。Z=0截面中上下側(cè)旋渦是對(duì)稱穩(wěn)定的。由流線圖知,隨著迎風(fēng)角增大,來流氣體流經(jīng)迎風(fēng)角后其流線彎曲越明顯,流向偏折角度越大。另一方面,迎風(fēng)坡對(duì)氣流的加速作用隨著迎風(fēng)角增大而增強(qiáng),從而使得主流邊界向中心偏移,這就增大了低壓區(qū)的空間,使得回流區(qū)進(jìn)一步增大。結(jié)合表1發(fā)現(xiàn),迎風(fēng)角越大,回流區(qū)長度確實(shí)快速增大。但是到40°以后增長變慢,這是因?yàn)橛休^大質(zhì)量流量的主流抑制了偏折氣流,減小了主流邊界的偏移量。

圖9 不同迎風(fēng)角度下截平面的等值流線圖

2.6 最佳迎風(fēng)角度的選擇

上述分析內(nèi)容包括了多個(gè)燃燒室評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(總壓損失系數(shù)、回流區(qū)長度、湍流強(qiáng)度、駐渦穩(wěn)定性等),然而它們之間并不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系,需要綜合考量。

總壓損失系數(shù)是一個(gè)重要的燃燒室性能參數(shù)?？倝簱p失小,則燃燒室出口氣體就有更強(qiáng)的做功能力。迎風(fēng)角50°～70°時(shí),總壓損失系數(shù)在3%左右,所以從總壓損失系數(shù)角度不宜選擇上述角度。回流區(qū)的流動(dòng)特性是穩(wěn)定燃燒的主要影響因素,一方面,回流區(qū)面積大,能有較好的火焰?zhèn)鞑バЧ?宜選用的迎風(fēng)角度為40°～70°。另一方面,湍流強(qiáng)度低,則流動(dòng)平穩(wěn),易使火焰駐留;湍流度高,則利于火焰?zhèn)鞑ヅc燃料摻混,所以應(yīng)該選擇中等湍流強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)迎風(fēng)角度為40°～50°。此外,回流渦的穩(wěn)定性也十分關(guān)鍵。迎風(fēng)角度為40°時(shí),除了在Z=0截面上回流渦穩(wěn)定以外,Y=0截面中下側(cè)渦的內(nèi)層也是穩(wěn)定的,對(duì)比其他角度穩(wěn)定性有所改善。同時(shí),其回流區(qū)形狀均勻飽滿,有利于形成穩(wěn)定的點(diǎn)火源。綜合以上不同影響因素,文中認(rèn)為最優(yōu)迎風(fēng)角度為40°。

3 結(jié)論

文中固定背風(fēng)角度和突擴(kuò)比,改變迎風(fēng)角度,對(duì)沙丘突擴(kuò)燃燒室的流動(dòng)特性進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:

1)總壓損失系數(shù)隨迎風(fēng)角度的增大而增大,0°時(shí)由于沒有回流區(qū)產(chǎn)生,總壓損失系數(shù)明顯小于其他情況。

2)回流區(qū)長度隨迎風(fēng)角度的增大而增長,40°以后增長趨勢(shì)放緩,長度比較接近。

3)回流區(qū)湍流強(qiáng)度隨迎風(fēng)角度的增大而增加。

4)在固定背風(fēng)角度和突擴(kuò)比條件下,存在一個(gè)使得燃燒室綜合性能最優(yōu)的迎風(fēng)角度。

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Research of Windward Angle of A New Dune-shaped Dump Combustor

LI Kai1,ZENG Zhuoxiong2,XU Yihua1

(1 School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2 College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electris Power, Shanghai 200090, Chian)

As for dune-shaped dump combustion, proper windward angle can ensure low resistance characteristics of the dune and obtain stable recirculation zone. The internal flow field of this combustion chamber was simulated by Realizablek-εturbulence model and second-order difference scheme. In this paper, the cold flow characteristics of different windward angle (0～70°) were analyzed under the certain leeward angle and sudden expansion ratio of the dune-shaped burners. The influence laws of different windward angle on the flow field were summarized. According to calculating results, when windward angle is 40°, combustor suffers less in total pressure loss, the flow recirculation zone is stable, and its comprehensive performance achieves best.

dune-shaped dump combustor; windward angle; cold flow field

2014-04-15

國家自然科學(xué)基金(51066006;51266013);航空科學(xué)基金(2013ZB56004)資助

李凱(1991-),男,浙江嘉興人,碩士研究生,研究方向:航空工程。

V235.21

A