燃油流量對防火試驗(yàn)火焰特征的影響*

王　偉，廣　才，尹莉萍

(中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300)

0　引言

航空安全問題一直是業(yè)內(nèi)的關(guān)注焦點(diǎn)[1], 《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》[2]第33.17條規(guī)定，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造及所用的材料必須使著火危害減至最小，說明為了完成航空器型號合格審定工作，必須進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的防火審定，以證明航空發(fā)動(dòng)機(jī)對防火條款的符合性[3]。而防火試驗(yàn)通常是表明發(fā)動(dòng)機(jī)安裝及其部件滿足符合性要求最常用、最有效的方法，動(dòng)力裝置安裝和推進(jìn)系統(tǒng)部件防火試驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則(AC20-135)[4]規(guī)定了用于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝及毗鄰指定火區(qū)中的材料與部件防火試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備即燃燒器標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)準(zhǔn)則和可接受的燃燒器的類型，美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)現(xiàn)指定NexGen燃燒器開展防火試驗(yàn)[5]。

動(dòng)力裝置報(bào)告(No.3A)[6]規(guī)定了防火試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和程序，但是并沒有指明適用的試驗(yàn)條件，如空氣和燃油流量，而不同的燃油和空氣流量產(chǎn)生的火焰特征不同[7]，且試驗(yàn)時(shí)都是通過調(diào)節(jié)流量來獲得標(biāo)準(zhǔn)火焰的[8]，而標(biāo)準(zhǔn)火焰要同時(shí)滿足溫度和熱流密度的要求，這就給標(biāo)準(zhǔn)火焰的獲得造成很大困難，首先，溫度和熱流密度隨燃油流量的變化規(guī)律可能不一致，即滿足溫度要求的流量可能不滿足熱流密度要求，其次，由于變化規(guī)律未知，會出現(xiàn)過調(diào)或者反復(fù)調(diào)節(jié)的情形，因此需要研究燃油流量對火焰特征(主要是溫度和熱流密度)的影響規(guī)律，據(jù)此合理調(diào)節(jié)燃油流量以獲得滿足規(guī)章要求的標(biāo)準(zhǔn)火焰。辛辛那提大學(xué)的Yi-Huan Kao[9]通過實(shí)驗(yàn)的方法研究燃油流量對火焰溫度和熱流密度的影響，結(jié)果表明指定點(diǎn)的平均溫度和熱流密度都隨燃油流量的增加而線性增加，但其只研究了監(jiān)測面上7個(gè)點(diǎn)的平均值，而沒有考慮火焰穩(wěn)定性和整個(gè)面內(nèi)的分布，且燃油流量變化范圍較小，因此需要進(jìn)一步研究燃油流量對火焰特征的具體影響規(guī)律。

本文通過固定空氣流量，逐漸改變?nèi)加土髁繉exGen燃燒器進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬，研究燃油流量對火焰特征的影響，分析不同燃油流量條件下火焰最高溫度、火焰形狀、指定位置處溫度分布和平均溫度、熱流密度的變化，為防火試驗(yàn)試驗(yàn)條件的確定提供一定參考和依據(jù)。

1　計(jì)算模型及方法

1.1　幾何和網(wǎng)格模型

NexGen燃燒器[10]簡化幾何模型由空氣管、燃油管、靜子葉片和擴(kuò)張錐組成，其簡化模型三視圖如圖1所示。

圖1　NexGen燃燒器簡化模型三視圖Fig.1　Three views of simplified model of NexGen burner

在Ansys ICEM中對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格前在擴(kuò)張錐后建立一個(gè)方形計(jì)算域以模擬氣體從擴(kuò)張錐出口噴射到大氣環(huán)境中的流動(dòng)狀態(tài)，然后采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)量為245萬，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格模型Fig.2　Computational mesh

1.2　計(jì)算邊界條件設(shè)置

采用Ansys Fluent軟件對其進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，計(jì)算時(shí)考慮重力影響。計(jì)算時(shí)采用的計(jì)算模型和邊界條件設(shè)置如表1所示，其中V為速度，m/s；T為溫度，K；I為湍流強(qiáng)度；d為水力直徑，mm。

表1　計(jì)算模型和邊界條件設(shè)置Table 1　Boundary conditions and computational model

1.3　有效性驗(yàn)證

目前針對NexGen燃燒器的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)較少，可用的僅有通風(fēng)管出口的冷態(tài)流場數(shù)據(jù)[12]。實(shí)驗(yàn)研究了不同靜子葉片位置對通風(fēng)管出口下游流場的影響，由于實(shí)際燃燒器中靜子葉片位于通風(fēng)管出口上游101.6 mm處，而此處沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此選取靜子葉片位于通風(fēng)管出口上游76.2 mm和127 mm 2個(gè)位置處進(jìn)行數(shù)值研究，比較仿真通風(fēng)管出口下游101.6 mm處中心線上的無量綱速度分布與實(shí)驗(yàn)測量值的差別，如圖3、圖4所示，其中Z=0代表通風(fēng)管出口，正方向?yàn)榱飨蚍较?。從圖3、圖4可以看出，數(shù)值模擬計(jì)算得到的無量綱速度分布與實(shí)驗(yàn)測量的速度分布一致，都是雙峰值的分布形式，只是峰值位置有稍許差別，最大偏差為5%，偏差在可接受范圍內(nèi)，說明數(shù)值計(jì)算的冷態(tài)流場是合理的。

圖3　靜子位于Z=-76 mm時(shí)的速度分布Fig.3　Velocity profile of stator at Z=-76 mm

圖4　靜子位于Z=-127 mm時(shí)的速度分布Fig.4　Velocity profile of stator at Z=-127 mm

2　計(jì)算結(jié)果及分析

2.1　最高溫度

圖5　最高溫度隨燃油流量變化Fig.5　Maximum temperature v.s fuel flow rate

這主要是因?yàn)樵诓怀^貧富油極限的燃油流量條件和給定空氣和燃油初始狀態(tài)下，其最高燃燒溫度是定值，如圖6所示。圖6表示溫度隨平均混合分?jǐn)?shù)的變化，它是通過求解能量方程和混合分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程得到的，由圖6可知，當(dāng)平均混合分?jǐn)?shù)為0.068時(shí)，達(dá)到最高溫度2 301 K。而高低溫燃?xì)庵g有很強(qiáng)的輻射換熱能力[13]，本文引入DO輻射模型以考慮燃?xì)庵g的輻射換熱，輻射傳熱使燃?xì)庾罡邷囟认陆?，但溫度下降值相差不大，因此火焰最高溫度基本不變?/p>

圖6　溫度隨平均混合分?jǐn)?shù)變化Fig.6　Temperature v.s mean mixture fraction

2.2　火焰形狀

圖7表示縱切面(Y-Z平面)上溫度云圖分布，圖8表示橫切面(X-Z面)溫度云圖，圖7只顯示了上半部分，圖8的顯示范圍為Z<1 m，-0.3

圖7　縱切面(Y-Z面)溫度云圖Fig.7　Temperature contours of the Y-Z plane

圖8　橫切面(X-Z面)溫度云圖Fig.8　Temperature contours of the X-Z plane

圖9　高溫區(qū)域長寬比隨燃油流量變化Fig.9　Aspect ratio v.s fuel flow rate

定義1 700 K以上溫度為高溫區(qū)域，以此溫度區(qū)域在Z軸與X軸長度之比為高溫區(qū)域長寬比，具體如圖9所示， 由圖7與圖9可知，燃油流量越大，高溫區(qū)域越細(xì)長，而且計(jì)算域出口溫度隨著燃油流量增加而增加。

圖10表示火焰長度隨燃油流量的變化，本文火焰長度指Cone噴嘴到溫度峰值的距離。由圖10可知，火焰長度隨燃油流量的增加而增加。因?yàn)槿加土髁吭黾?，達(dá)到完全燃燒時(shí)所需要的空氣量增加，而燃燒速率基本不變，因此達(dá)到完全燃燒所需距離增加，因此火焰長度增加。

由圖10可知，火焰長度隨燃油流量的變化曲線斜率逐漸減小，即火焰長度的增加率逐漸減小，這主要是因?yàn)殡S燃油流量的增加，火焰溫度峰值位置逐漸向擴(kuò)張錐出口移動(dòng)，并逐漸移到計(jì)算域中，如圖7、圖8所示，而隨著溫度峰值向下游移動(dòng)，火焰擴(kuò)張，火焰面積增大，而能量的增加是一定的，因此火焰長度增加變緩。

圖10　火焰長度隨燃油流量的變化Fig.10　Flame length v.s fuel flow rate

2.3　監(jiān)測面上溫度和熱流密度分布

由于防火試驗(yàn)時(shí)溫度和熱流密度校準(zhǔn)位置及試驗(yàn)件擺放位置都位于燃燒器出口下游101.6 mm處，因此在該位置建立一個(gè)監(jiān)測面以觀察該面上溫度和熱流密度的分布情況，為防火試驗(yàn)時(shí)火焰校準(zhǔn)位置的選擇和試驗(yàn)件放置位置提供參考。圖11表示監(jiān)測面上溫度分布，只顯示了1.56 ，2和2.54 g/s 3個(gè)極具代表性的流量條件下的溫度云圖，顯示范圍為-0.15 m

監(jiān)測面上溫度分布和溫度值主要受火焰長度的影響，結(jié)合圖7和圖8中監(jiān)測面和溫度峰值的相對位置、橫切面和縱切面上溫度分布可直觀地看出監(jiān)測面上溫度分布的變化，圖7和圖8中用黑線代表監(jiān)測面的位置。

由圖11可知，隨著燃油流量的增加，監(jiān)測面上溫度分布均勻性和規(guī)律性及大于2 000 K的高溫區(qū)域的面積也先增加后降低，當(dāng)燃油流量為2 g/s時(shí)，溫度均勻性最好，高溫區(qū)域的面積也最大。

由圖11可知，監(jiān)測面上溫度分布受浮力作用而整體上移，但是上移幅度較小，僅有10 mm左右，占其流動(dòng)距離的10%，說明浮力對監(jiān)測面溫度的影響有限，當(dāng)開展防火試驗(yàn)時(shí)若將熱電偶置于監(jiān)測面中心線偏上10 mm±10 mm位置進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，繼而進(jìn)行部件防火試驗(yàn)時(shí)，部件較容易通過防火符合性驗(yàn)證。

圖12表示監(jiān)測面上熱流密度分布，只顯示了4個(gè)代表性流量條件下的熱流密度分布，顯示范圍為-0.15 m

圖11　監(jiān)測面上溫度云圖Fig.11　Temperature contours of the monitoring plane

圖12　監(jiān)測面上熱流密度云圖Fig.12　Heat flux contours of the monitoring plane

由圖12可知，熱流密度最大值都位于監(jiān)測面的中心位置，因此防火試驗(yàn)時(shí)若將熱流計(jì)置于中心位置附近進(jìn)行熱流密度校準(zhǔn)，在進(jìn)行部件防火試驗(yàn)時(shí)，部件則較容易通過防火符合性驗(yàn)證。

2.4　7個(gè)測量點(diǎn)平均溫度和熱流密度變化

由于防火試驗(yàn)火焰校準(zhǔn)是以民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法指定火區(qū)的防火試驗(yàn)(ISO2685)[14]推薦的7個(gè)測量點(diǎn)的溫度和熱流密度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)的，因此研究7個(gè)測量點(diǎn)平均溫度和熱流密度隨燃油流量的變化。表2所示為Yi-Huan Kao[9]實(shí)驗(yàn)修正值與仿真指對比，最大溫度誤差為5.7%，最大熱流密度誤差為6.2%。誤差均在可接受范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果是有效的。

表2　仿真值與實(shí)驗(yàn)值對比Table 2　Simulation value v.s experimental value

圖13表示7個(gè)測量點(diǎn)平均溫度和溫度不均勻系數(shù)隨燃油流量的變化。由圖13可知，隨著燃油流量的增加，7個(gè)測量點(diǎn)的平均溫度先增加，溫度增加率逐漸減小，而后保持基本不變；然后逐漸減小，溫度減小率基本不變，這主要是溫度峰值位置及其變化率導(dǎo)致的，當(dāng)溫度峰值接近監(jiān)測面時(shí)，監(jiān)測面上溫度升高，相應(yīng)的7個(gè)測量點(diǎn)溫度也升高，而且當(dāng)燃油流量為2 g/s到2.11 g/s時(shí)，溫度峰值位于監(jiān)測面附近，平均溫度達(dá)到最高。

(1)

由圖13可知，7個(gè)測量點(diǎn)的溫度不均勻系數(shù)隨燃油流量的增加先降低后增加，這與監(jiān)測面上溫度分布均勻性一致，且2 g/s到2.11 g/s燃油流量下的溫度不均勻系數(shù)較小，不到1%，說明其溫度分布最均勻。

綜合考慮平均溫度值和溫度不均勻系數(shù)可知，2 g/s到2.11 g/s燃油流量條件下的溫度符合防火試驗(yàn)的溫度要求。

圖13　平均溫度和溫度不均勻系數(shù)隨燃油流量的變化Fig.13　Average temperature and nonuniform coefficient v.s fuel flow rate

圖14表示7個(gè)測量點(diǎn)平均熱流密度值隨燃油流量的變化。由圖14可知，隨著燃油流量的增加，7個(gè)測量點(diǎn)的平均熱流密度先逐漸增加，然后保持基本不變，而且熱流密度峰值流量滯后于溫度峰值流量。這說明熱流密度不僅僅跟溫度有關(guān)，而是溫度、CO、CO2等組分的聯(lián)合分布函數(shù)[15]。

圖14　平均熱流密度隨燃油流量的變化Fig.14　Average heat flux v.s fuel flow rate

由圖14可知，當(dāng)燃油流量大于2 g/s時(shí)，平均熱流密度大于106 kW/m2，符合AC 20-135對防火試驗(yàn)火焰熱流密度的要求。

3　結(jié)論

1)燃油流量對火焰最高溫度幾乎沒有影響。

2)燃油流量對監(jiān)測面上溫度分布和7個(gè)測量點(diǎn)的平均溫度、平均熱流密度有很大影響，但對監(jiān)測面上熱流密度分布影響較小。隨著燃油流量的增加，平均溫度先增加然后保持不變之后再減小，溫度不均勻系數(shù)則相反，平均熱流密度先增加后保持基本不變，當(dāng)燃油流量在2 g/s到2.11 g/s之間時(shí)，平均溫度最高，監(jiān)測面和7個(gè)測量點(diǎn)的溫度均勻性較好，且熱流密度也符合防火試驗(yàn)火焰的要求。

3)當(dāng)空氣流量為35.8 g/s時(shí)，2 g/s到2.11 g/s的燃油流量即余氣系數(shù)為1.15到1.22時(shí)能夠用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件的防火試驗(yàn)。

4)防火試驗(yàn)溫度和熱流密度校準(zhǔn)點(diǎn)位于監(jiān)測面中心位置附近時(shí)，在進(jìn)行部件防火試驗(yàn)時(shí)部件較容易通過防火符合性驗(yàn)證。

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