某重型燃機(jī)燃燒室熱態(tài)流場數(shù)值模擬

王嘉奇，馮兆興，王國峰，劉 洋，史俊瑞

（1.沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

1 物理模型

燃燒室為沿周向分布20個(gè)火焰筒的逆流式環(huán)管型燃燒室，單個(gè)火焰筒的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。擴(kuò)壓器與壓氣機(jī)后氣缸相連，內(nèi)含出口靜葉、整流葉片及長短不一的支板。燃燒室外殼直徑最大值為3 100 mm，內(nèi)腔直徑為2 968 mm，全長為900 mm，質(zhì)量約為1 320 kg。

圖1 某型燃機(jī)單個(gè)火焰筒的整體結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

求解重型燃機(jī)內(nèi)部的三維流動(dòng)過程主要是求解Reynolds時(shí)均化Navier-Stokes方程及關(guān)聯(lián)量的輸運(yùn)方程的湍流模型，即標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。計(jì)算過程中必須遵循4個(gè)基本控制方程。

1）連續(xù)性方程

2）動(dòng)量方程

3）能量方程

式中，keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj為第j種組分的擴(kuò)散通量；E為總能，是勢(shì)能和內(nèi)能之和；Sh為化學(xué)反應(yīng)熱和其他用戶定義的體積熱源項(xiàng)。

4）組分方程

式中，Yi代表第i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ri代表化學(xué)反應(yīng)中組分i的凈生成速率；Si代表組分i由離散項(xiàng)和其他用戶定義的源項(xiàng)引起額外的生成速率。

2.2 模型建立和網(wǎng)格劃分

針對(duì)該燃燒室，運(yùn)用Pro-E軟件創(chuàng)建三維仿真分析模型。對(duì)于火焰筒上的細(xì)小氣膜孔，采用氣膜帶簡化處理，這樣既能減少網(wǎng)格的數(shù)量，又能保證空氣的冷卻效果。對(duì)火焰筒頭部的主旋流器和8個(gè)微型旋流器采用增加空氣入口旋流的方法進(jìn)行簡化，利用空氣入口切向、軸向、徑向3個(gè)方向的速度分量來實(shí)現(xiàn)旋流，保證氣體經(jīng)過旋流器后，過量空氣系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

對(duì)火焰筒環(huán)形區(qū)的微型旋流器以及中央的主旋流器等部位進(jìn)行加密處理，在溫度和速度驟變的地方，采用了細(xì)密的網(wǎng)格；對(duì)于流體流動(dòng)影響不大的地方，采用較疏的網(wǎng)格，減少網(wǎng)格數(shù)量，從而減少計(jì)算量。燃燒室頭部網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 燃燒室頭部網(wǎng)格

該模型選擇的網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)是EquiSize Skew，是通過單元大小計(jì)算歪斜度以檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，EquiSize Skew在0～0.4之間（lower-upper）的網(wǎng)格數(shù)占比為96.70%，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好。

2.3 邊界條件

1）空氣進(jìn)口

該燃燒室設(shè)置了帶有旋流且供燃料燃燒的空氣入口、15排氣膜帶入口和4個(gè)冷卻孔入口。所有的空氣入口都設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，給定每個(gè)進(jìn)口的質(zhì)量流量數(shù)值、方向、湍流度和水力直徑。給定空氣的溫度為666 K，空氣的總進(jìn)氣量為6.59 kg/s。

2）燃料進(jìn)口

燃料進(jìn)口包括8個(gè)微型旋流器、16個(gè)值班燃料小孔入口以及8個(gè)燃料噴桿入口。所有燃料入口邊界也設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，給定質(zhì)量流量的數(shù)值、湍流度及水力直徑。設(shè)定燃料入口溫度為288 K，燃?xì)獾目傔M(jìn)氣量為102 g/s。

3）出口

出口邊界設(shè)置為壓力出口，給定湍流度、回流度和水力直徑。

4）壁面

熱邊界類型設(shè)置為Radiation類型，假設(shè)壁面處無速度滑移，熱生成率設(shè)為0.3 W/m3，壁厚為0 mm，內(nèi)部發(fā)射率為0.6，外部發(fā)射率為0.8。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 速度場分布特性

圖3為數(shù)值分析得到的速度分布云圖及矢量圖。燃燒室在噴嘴的出口處形成了回流區(qū)，這是由于高速旋轉(zhuǎn)的氣流對(duì)噴嘴出口中心部位的氣流產(chǎn)生卷吸效應(yīng)，從而在背后形成一個(gè)低壓區(qū)域，這對(duì)于旋流燃燒室的穩(wěn)定燃燒至關(guān)重要。同時(shí)，回流也延長了燃料在火焰筒內(nèi)的停留時(shí)間，可以提高燃料的燃燒效率?；亓鲄^(qū)下游截面的平均速度在60 m/s左右，并且軸向速度由前往后逐漸增加，這是由于隨著燃料與空氣燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，燃?xì)馄骄鶞囟戎饾u升高，使得火焰筒內(nèi)氣體的體積流量增加，而且火焰筒出口通流面積漸縮，導(dǎo)致軸向速度增加，出口平均速度達(dá)到100 m/s左右。

圖3 燃燒室內(nèi)軸向中心截面流場分布特性

3.2 組分濃度場分布特性

圖4 燃燒室內(nèi)中心截面的組分分布特性

圖4為數(shù)值分析得到的各組分的濃度分布圖。從圖4中可以看出，CH4燃料噴入火焰筒后，進(jìn)行快速燃燒，濃度急劇下降。O2的濃度場則與燃燒速度分布有關(guān)，在燃燒的中心區(qū)域，由于燃燒作用，O2消耗多，濃度低；外圍區(qū)域，燃燒反應(yīng)不劇烈，O2的濃度高。火焰筒頭部的主燃區(qū)O2濃度最低，環(huán)形燃燒區(qū)后半部也出現(xiàn)O2濃度低的區(qū)域，此區(qū)域達(dá)到燃料燃燒的溫度，O2因燃燒而消耗掉。

兩種燃燒產(chǎn)物CO2和H2O濃度場分布規(guī)律基本相同，在主燃區(qū)濃度大，最大的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不多。CO2和H2O分布大致以中軸線對(duì)稱，從第一級(jí)束腰環(huán)開始，CO2和H2O濃度開始逐漸降低，由摻混孔進(jìn)入的大量空氣使得CO2和H2O濃度迅速下降。出口截面，CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到0.04左右，H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到0.034，這是因?yàn)榇藚^(qū)域是燃燒劇烈區(qū)域。反應(yīng)物和生成物的分布均能較好地反映出該型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的實(shí)際燃燒情況。

3.3 溫度場分布特性

圖5為利用不同燃燒反應(yīng)機(jī)理模型得到的溫度分布。CH4與空氣在環(huán)形燃燒室的前半部進(jìn)行預(yù)混，在后半部進(jìn)行燃燒。因此，環(huán)形燃燒室的前半部溫度低，而后半部的溫度高。燃燒主要穩(wěn)定在主燃區(qū)的頭部，熱點(diǎn)溫度達(dá)到2 500 K左右。出口截面的溫度分布梯度較小，說明溫度分布較均勻。出口截面的平均溫度為1 295.6 K，熱點(diǎn)溫度達(dá)到1 625.8 K。單步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、簡化機(jī)理、詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和利用GR13.0計(jì)算的溫度場的溫度分布基本一致，火焰形狀基本相同，燃燒室內(nèi)的溫度分布大致以軸線為對(duì)稱軸分布。該數(shù)據(jù)滿足出口溫度渦輪導(dǎo)向葉片的溫度要求，模擬得到的燃燒室出口的高溫區(qū)的分布位置與給定實(shí)驗(yàn)得到的高溫區(qū)分布位置相同，溫度略高于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

圖5 燃燒室軸向截面的溫度分布

4 結(jié) 論

1）采用單步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬得到的燃燒室結(jié)果表明，旋流和回流位置分布合理，燃?xì)馀c空氣的混合情況良好，各組分分布均能較好地反映出燃燒室的實(shí)際燃燒情況。

2）與不同燃燒反應(yīng)機(jī)理的模擬結(jié)果對(duì)比后，驗(yàn)證了單步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬的溫度場分布特性合理，出口溫度場與給定實(shí)驗(yàn)出口溫度場吻合。

3）該數(shù)值模擬分析方法計(jì)算速度快，對(duì)模擬網(wǎng)格要求低，是一種能夠適合燃燒室進(jìn)行快速分析的有效方法。