自耦合離心力場下燃燒特性數(shù)值模擬研究

朱樺

摘 要：在駐渦燃燒室中，旋流產(chǎn)生的離心效應(yīng)可以有效提高燃燒速率，有助于實現(xiàn)高效緊湊燃燒。文章利用Fluent軟件計算獲得了凹腔區(qū)進(jìn)氣角度和速度對凹腔區(qū)離心力場的影響規(guī)律，結(jié)果表明凹腔區(qū)進(jìn)氣速度和進(jìn)氣角度是影響離心力場的主要因素：對于不同的凹腔區(qū)進(jìn)氣角度（0～60°），離心加速度隨著凹腔區(qū)進(jìn)去角度的增大而增大。隨著進(jìn)氣速度的增加（500G到20000G），火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增加，火焰均勻性也得到提高。

關(guān)鍵詞：駐渦燃燒室；離心力場；燃燒特性；數(shù)值模擬

中圖分類號：TK44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0021-02

在動力裝置燃燒領(lǐng)域中，自耦合離心力作用下的燃燒極為常見，對燃燒性能的影響也更為突出和關(guān)鍵。目前大部分動力裝置的燃燒都依靠回流流場或旋流流場來實現(xiàn)。在離心力強(qiáng)度較大時，回流流場中離心力所帶來的影響不能忽略，如在環(huán)境壓力和環(huán)境溫度（27℃）下，當(dāng)燃?xì)鉁囟葹?927℃時，1立方英尺的熱燃?xì)馐艿降母∩?.2835N，而在3000g（3000個重力加速度）離心力場中，浮升力增加到860N，增加了3000多倍，是該團(tuán)燃?xì)馑艿街亓Φ?7000倍[1、2]。隨著狀態(tài)的變化，各動力裝置燃燒室中離心力的強(qiáng)度也隨之變化，從幾個重力加速度變化至2-3萬重力加速度。如航空發(fā)動機(jī)主燃燒室的回流區(qū)一般經(jīng)由渦流器形成，渦流器的典型直徑在30～70mm左右，氣流經(jīng)過渦流器后會形成兩個旋流流場，一個是經(jīng)由流線形成的周向旋轉(zhuǎn)流場，典型的切向線性速度約為20～50m/s左右，另一個是由壓力梯度形成的軸向回流區(qū)，典型切向線性速度約為10～30m/s左右。按照上述典型的直徑和速度數(shù)值計算，兩個回流流場離心加速度分別在1000g～15000g和500g～12000g之間。

本文主要利用流體計算軟件Fluent開展自耦合離心力場下燃燒性能數(shù)值模擬研究，分別數(shù)值模擬在不同凹腔進(jìn)氣速度（0G～20000G）和凹腔進(jìn)氣角度（0～60°）情況下的離心力場和燃燒特性。

1 三維模型

如圖1所示，模型主要包括駐渦火焰筒筒體、中心鈍體和兩排均勻分布在凹腔外壁上的進(jìn)氣孔（共24個），凹腔進(jìn)氣孔與模型凹腔壁成β角度。氣流從主流區(qū)和凹腔進(jìn)氣孔以不同的速度進(jìn)入燃燒室，都采用預(yù)混合氣，同時主流區(qū)的進(jìn)氣角度保和速度持不變，通過改變凹腔進(jìn)氣口的進(jìn)氣速度和進(jìn)氣角度來研究離心力場的變化和燃燒特性。

2 網(wǎng)格劃分

本文中利用Gambit軟件對所建立的三維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)不規(guī)則區(qū)選取適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)規(guī)則區(qū)選取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在燃燒室整個流通區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對主燃區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，而其他區(qū)域則選用相對較大的網(wǎng)格，這樣既可以很好地劃分網(wǎng)格，又可以適當(dāng)?shù)乜刂凭W(wǎng)格的數(shù)目，有利于流場的計算。

3 邊界條件

（1）進(jìn)口邊界條件：以保證進(jìn)口Ma數(shù)等于定值為原則，根據(jù)當(dāng)?shù)芈曀?，計算出進(jìn)口速度。

（2）出口邊界條件：以保證主出口總壓為進(jìn)口理論計算總壓的95%為原則，保持主出口壓力不變，使出口的流量達(dá)到確定的規(guī)定值。

（3）固體壁面條件：固體壁面絕熱，即不考慮壁面導(dǎo)熱。

（4）周期性條件：對所截取的燃燒室扇形段的兩側(cè)截面設(shè)置為周期性邊界條件，對于周期性條件有：

4 計算工況

本文主要模擬發(fā)動機(jī)分別在進(jìn)氣燃?xì)獗取Ⅰv渦區(qū)進(jìn)氣角度和速度以及主流進(jìn)氣速度變化的情況自耦合離心力場下燃燒性能?；緟?shù)如表1所示：

5 計算結(jié)果分析

對穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下不同凹腔進(jìn)氣速度和凹腔進(jìn)氣角度的燃燒狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，在研究中，凹腔區(qū)進(jìn)氣有一定的角度，會產(chǎn)生一個切向的分速度，設(shè)為u。這個u會產(chǎn)生一個離心加速度G。改變凹腔進(jìn)氣速度，即G由0G變化到20000G。

5.1 穩(wěn)態(tài)下不同凹腔進(jìn)氣角度下離心力場的大小比較

在相同的凹腔區(qū)進(jìn)氣速度和主流進(jìn)氣條件下，凹腔區(qū)進(jìn)氣角度從0°增大到60°，凹腔區(qū)進(jìn)氣速度的切向分量u增大，由離心加速度的定義可知增大。同時從圖2中可以看出，隨凹腔進(jìn)氣角度的增大，整個流場某處達(dá)到的最大離心力隨之增大，并且可以看出最大離心力的范圍隨角度的增大而增大。

5.2 穩(wěn)態(tài)下不同離心力下火焰?zhèn)鞑囟葓D

圖3為穩(wěn)態(tài)下條件下的火焰?zhèn)鞑囟葓D溫度分布圖。在主流區(qū)流體速度相同的情況下，由圖3可以分析出，火焰通過鈍體達(dá)到火焰穩(wěn)定的時，其流過的距離是隨著凹腔進(jìn)口速度的增大（即500G、5000G、120000G、15000G和200

00G）而變短的。因此可以定性的得出，隨著凹腔進(jìn)氣速度的增大，火焰的傳播速度是隨之增大的。而且，火焰穩(wěn)定的區(qū)域也隨之增加，說明火焰的均勻性更好。

6 結(jié)束語

總結(jié)圖分析得，隨著加速度的增加，火焰?zhèn)鞑サ乃俣仍絹碓娇臁．?dāng)加速度比較小的時候，最后形成的是一個圓錐形的火焰面，火焰面較大。當(dāng)加速度比較大的時候，最后形成的是一個火焰面比較小的環(huán)形火焰封面。而且可以看出，加速度越快，其環(huán)形火焰面的面積越小。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Lewis， George D，“Swirling Flow Combustion - Fundamenta

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