燃油分布以及來(lái)流紊流度對(duì)點(diǎn)火的影響

王超

摘 要：本文采用大渦模擬模計(jì)算方法對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火過(guò)程的進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬了電火花形成高溫火團(tuán)后的火焰?zhèn)鞑サ娜紵^(guò)程。通過(guò)分析數(shù)值模擬的結(jié)果認(rèn)為燃燒室內(nèi)的空氣流場(chǎng)與燃油霧化的油霧相互作用會(huì)影響燃燒室點(diǎn)火性能。

關(guān)鍵詞：環(huán)形燃燒室；大渦模擬；點(diǎn)火過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）22-0029-02

1 引言

點(diǎn)火是所有航空燃?xì)廨啓C(jī)正常工作的關(guān)鍵步驟，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高空再點(diǎn)火能力，是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要約束[1]。一個(gè)成功的點(diǎn)火過(guò)程通常分為三個(gè)階段[2]：第一階段是形成一個(gè)足夠尺寸和足夠溫度的有傳播能力的核心火團(tuán)。這一階段的成敗主要取決于火花的能量和持續(xù)時(shí)間，以及在火花電極間隙附近油氣混合物的紊流度和油氣比。第二階段是該核心火團(tuán)點(diǎn)燃點(diǎn)火器對(duì)應(yīng)頭部的主燃區(qū)，形成穩(wěn)定火焰。這個(gè)階段的成敗主要取決于空氣速度和燃料分布，也取決于火花塞的位置。第三階段是著火頭部向未燃頭部的火焰?zhèn)鞑ァ⑺形慈碱^部引燃，建立穩(wěn)定的燃燒工況，即認(rèn)為點(diǎn)火成功。航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火是一個(gè)難點(diǎn)，由于低壓、低溫、霧化差而導(dǎo)致不得不增加昂貴復(fù)雜且沉重的點(diǎn)火裝置，對(duì)于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)， 其可靠性還需要大幅提升[3]。本文采用大渦模擬計(jì)算方法，對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 計(jì)算模型及算法

燃燒室由14個(gè)頭部以及環(huán)形火焰筒組成，由于整個(gè)全環(huán)燃燒室模擬起來(lái)計(jì)算工作量太大，故取單個(gè)燃燒室頭部作為計(jì)算模型，圖1為環(huán)形燃燒室的單頭部結(jié)構(gòu)示意圖，軸向?yàn)閆軸正方向，截面Z=18為點(diǎn)火位置軸向截面。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本次計(jì)算采用大渦模擬對(duì)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行模擬，點(diǎn)火源采用高溫?zé)嵩?，燃油采用流量遞增式供給，該過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，點(diǎn)火時(shí)間從t=0ms開(kāi)始，點(diǎn)火位置選在（0，193，18）。

3.1 油霧場(chǎng)分析

圖2和圖3分別為核心火團(tuán)火焰向外傳播失敗與成功的油霧場(chǎng)與溫度場(chǎng)，其中Z=18為點(diǎn)火軸向截面。由圖可知，在t=43.7ms時(shí)，在渦團(tuán)氣流的作用下，火焰開(kāi)始向點(diǎn)火源的右側(cè)即X軸正向傳播，但是由于右側(cè)燃油濃度較低，并不能夠維持火焰持續(xù)傳播，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞒龊舐纳⒌?，說(shuō)明此時(shí)從核心火團(tuán)發(fā)展出來(lái)的火焰并沒(méi)能持續(xù)將未燃區(qū)域點(diǎn)著。而時(shí)間推進(jìn)到46.7ms時(shí)，火焰跟隨氣流與渦的運(yùn)動(dòng)被帶向點(diǎn)火源左側(cè)即x軸負(fù)方向，此時(shí)左側(cè)的濃度足夠高，能夠維持火焰的持續(xù)燃燒，并且點(diǎn)燃區(qū)域能夠向未燃的區(qū)域傳播火焰，當(dāng)下游的燃油濃度分布能夠維持這一過(guò)程時(shí)，火焰能夠傳遞至整個(gè)燃燒室，說(shuō)明此時(shí)核心火團(tuán)火焰成功傳出，代表著點(diǎn)火成功。

3.2 三維火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程

3.2.1 三維火焰?zhèn)鞑ナ∵^(guò)程

可以看到點(diǎn)火過(guò)程中，由局部高溫點(diǎn)燃的燃?xì)怆S著各個(gè)無(wú)序渦的方向傳播，圖4為點(diǎn)火過(guò)程中的三維視圖，圖中溫度面為800K等值面。如圖所示，在43.7ms時(shí)，火焰跟隨渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)向Z軸負(fù)向、X軸正向傳播，但此時(shí)溫度等值面范圍很小，說(shuō)明該時(shí)刻化學(xué)反應(yīng)不強(qiáng)烈，火焰溫度不高。而到了44.7ms時(shí)，等值面開(kāi)始往點(diǎn)火位置回縮，并且出現(xiàn)了火焰面不連續(xù)的現(xiàn)象，中間有火焰斷層，說(shuō)明火焰向外傳播時(shí)，在氣流速度較大的區(qū)域，氣流速度帶走的熱量比燃燒反應(yīng)生成的熱量要多，氣流將火焰生成熱量迅速帶走，而向外傳遞的熱量也未能將其他未燃區(qū)域點(diǎn)著，導(dǎo)致燃燒區(qū)溫度慢慢降低。而隨著點(diǎn)火源附近的燃油消耗，高溫區(qū)域越來(lái)越小，等值面繼續(xù)向點(diǎn)火位置回縮。到了45.7ms時(shí)，高溫面進(jìn)一步縮小。從43.7ms到45.7ms火焰范圍可知，該段時(shí)間火焰?zhèn)鞑ナ?，因?yàn)槿加蜐舛容^低，燃燒速率較低，核心火團(tuán)化學(xué)反應(yīng)生熱率小，而周?chē)鲃?dòng)混氣很快帶走核心火團(tuán)生成的熱量，生成熱量小于火團(tuán)向外界的散熱量，燃燒區(qū)域溫度始終達(dá)不到爆炸反應(yīng)溫度。核心火團(tuán)的高溫燃?xì)獗粴饬鲙У较掠?，生成的熱量在氣流傳播過(guò)程中被消耗，溫度也越來(lái)越低，化學(xué)反應(yīng)速率也越來(lái)越低，產(chǎn)生的熱量越來(lái)越少，到一定程度時(shí)已經(jīng)無(wú)法點(diǎn)燃新鮮混氣，此時(shí)傳播出來(lái)的火焰熄滅，導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。

3.2.2 三維火焰?zhèn)鞑コ晒^(guò)程

在點(diǎn)火過(guò)程中，點(diǎn)火源在很多時(shí)段內(nèi)會(huì)點(diǎn)燃附近混氣，向外傳播火焰，但是當(dāng)外界條件不適合火焰?zhèn)鞑r(shí)，火焰不能持續(xù)燃燒，則點(diǎn)火失敗，當(dāng)外界條件合適點(diǎn)火后，火焰順利從點(diǎn)火位置傳出，并能能夠在回流區(qū)穩(wěn)定，火焰持續(xù)燃燒最終點(diǎn)燃整個(gè)燃燒室，說(shuō)明點(diǎn)火成功。

圖5為46.7ms到49.7ms內(nèi)三維火焰?zhèn)鞑D，圖中溫度面為1600K溫度等值面。由圖可知，此時(shí)火焰是朝向Z正方向、X負(fù)方向傳播，與43.7ms至46.7ms時(shí)火焰的傳播規(guī)律完全不同，這也說(shuō)明了點(diǎn)火過(guò)程中點(diǎn)火區(qū)域有許多無(wú)序的渦的生成與脫落，并且該區(qū)域的紊流度以及油氣比能夠使化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行，所以高溫區(qū)范圍逐漸變大。當(dāng)時(shí)間到達(dá)46.7ms時(shí)，經(jīng)歷了前段時(shí)間的化學(xué)反應(yīng)能量積累后，火焰跟隨渦團(tuán)向X軸負(fù)方向傳播，由點(diǎn)火源軸向截面濃度分布圖可知，在43.7ms到46.7ms這段時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)火源附近濃度值并沒(méi)有太大的改變，所以影響點(diǎn)火的主要因素是：在此時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)能量強(qiáng)的渦團(tuán)，將火焰從點(diǎn)火位置帶出，并且該時(shí)刻新鮮混氣不斷的補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，保持火焰持續(xù)燃燒。到了48.7ms時(shí)，由火焰在回流區(qū)內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定燃燒，火焰不斷向外傳播，高溫區(qū)域范圍繼續(xù)擴(kuò)大，本文認(rèn)為在該時(shí)刻點(diǎn)火成功。

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)口溫度壓力幾乎不變的情況下，燃油分布以及來(lái)流紊流度是影響點(diǎn)火成功與否的重要因素，在局部高溫點(diǎn)火過(guò)程中，會(huì)有火焰不斷向外傳出，當(dāng)燃油濃度不夠時(shí)，傳出火焰溫度不高且點(diǎn)火源附近燃油濃度不高，并不能將未燃區(qū)域點(diǎn)著；而在燃油濃度足夠時(shí)，由于來(lái)流的渦團(tuán)方向各異，當(dāng)渦團(tuán)將火焰帶向燃油高濃度區(qū)域時(shí)，火焰能夠持續(xù)燃燒，繼續(xù)點(diǎn)燃未燃區(qū)域，而將火焰帶去低濃度區(qū)域時(shí)，火焰難以維持，最終火焰溫度被氣流帶走，導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。

參考文獻(xiàn)

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