徑向穩(wěn)定器冷卻方式對(duì)壁溫和流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

翟云超，鐘世林，康玉東，鄧遠(yuǎn)灝，王金濤

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

凹腔駐渦燃燒室因其火焰穩(wěn)定能力強(qiáng)、燃燒效率高和貧燃吹熄極限低而受到廣泛關(guān)注[1-4]。美國(guó)GE公司率先實(shí)現(xiàn)了凹腔駐渦在加力燃燒室中的應(yīng)用，在其專利[5]中，將凹腔駐渦作為值班火焰穩(wěn)定器，通過(guò)徑向穩(wěn)定器傳焰和組織燃燒。因徑向穩(wěn)定器后方燃?xì)鉁囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有高溫合金的許用溫度，GE公司提出了一種徑向穩(wěn)定器氣冷方案，其主要思想是利用外涵引氣來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)徑向穩(wěn)定器的冷卻，但并未對(duì)其冷卻方式及冷卻氣分布等特征進(jìn)行闡述。相較而言，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，針對(duì)徑向穩(wěn)定器冷卻的研究更是缺乏，暫未看到有公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)。

基于此，本文針對(duì)徑向穩(wěn)定器的冷卻展開(kāi)了探究，利用Fluent軟件比較分析了沖擊冷卻[6-7]和沖擊-發(fā)散冷卻[8-11]兩種冷卻方式的冷卻效果及其對(duì)徑向穩(wěn)定器后方流場(chǎng)的影響，并著重分析了發(fā)散孔傾角和發(fā)散孔開(kāi)孔數(shù)目對(duì)冷卻和流場(chǎng)的影響。

2 計(jì)算模型

圖1給出了基于凹腔駐渦值班火焰穩(wěn)定器的加力燃燒室模型，該加力燃燒室主要包括凹腔穩(wěn)定器和徑向穩(wěn)定器等。徑向穩(wěn)定器所選材料為GH5188，該材料適用于1 373 K以下要求抗氧化性的零件。材料屬性可通過(guò)查詢材料手冊(cè)[12]獲得。

方案0為基準(zhǔn)方案，無(wú)冷卻；通過(guò)方案1和方案2比較兩種冷卻方式的冷卻特點(diǎn)；方案3是在方案2的基礎(chǔ)上將發(fā)散孔傾角由90°調(diào)整為30°，即通過(guò)方案2和方案3比較發(fā)散孔傾角對(duì)冷卻的影響；方案4是在方案3的基礎(chǔ)上，保持發(fā)散孔傾角不變，將端板劃分為上、中、下三個(gè)區(qū)域，從上到下發(fā)散孔越發(fā)稀疏，為保證端板落壓比不變，增大外板上的開(kāi)槽面積，即通過(guò)方案3和方案4比較發(fā)散孔排布對(duì)冷卻的影響。

3 計(jì)算方法和邊界條件

首先利用Icem軟件對(duì)上述加力燃燒室模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格量為550萬(wàn)。而后采用商用Fluent軟件對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值仿真。選用壓力求解器，Simple算法；空氣為理想氣體，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；選用質(zhì)量流量進(jìn)口作為進(jìn)口邊界條件，壓力出口為出口邊界條件。且在凹腔前進(jìn)氣縫處設(shè)置左、中、右三處直射式噴嘴，采用solid-cone模型。燃燒模型采用有限速率/渦耗散模型，選用Fluent所提供的煤油五組分一步化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)口邊界條件如表2所示。

4 結(jié)果分析

圖3給出了無(wú)冷卻徑向穩(wěn)定器端板壁溫云圖?？梢?jiàn)，端板溫度基本在1 900 K以上，超過(guò)了材料的許用溫度，印證了對(duì)徑向穩(wěn)定器進(jìn)行冷卻的必要性。

圖4、圖5分別給出了方案1～方案4的端板壁溫云圖及徑向穩(wěn)定器中間截面的總溫云圖?？梢?jiàn)，相較于無(wú)冷卻方案，沖擊冷卻和沖擊-發(fā)散冷卻均能明顯降低端板壁溫，使其低于材料最高許用溫度，滿足使用要求。

表1 冷卻方案Table 1 Cooling schemes

表2 進(jìn)口邊界條件Table 2 Working conditions of calculation

對(duì)比方案1和方案2的端板壁溫云圖可見(jiàn)，在相同GC值下，采用沖擊冷卻的端板最高壁溫接近材料的最高許用溫度，而采用沖擊-發(fā)散冷卻的端板壁溫明顯低于材料的最高許用溫度，且其分布呈現(xiàn)出中間低兩端高的態(tài)勢(shì)。故相較于沖擊冷卻，沖擊-發(fā)散冷卻的冷卻效果更為顯著。另一方面，結(jié)合圖5可見(jiàn)，針對(duì)采用沖擊-發(fā)散冷卻方式的徑向穩(wěn)定器，從端板中出來(lái)的冷卻氣會(huì)將從凹腔中出來(lái)的高溫燃?xì)獯惦x徑向穩(wěn)定器后壁面，對(duì)徑向穩(wěn)定器后方的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成影響，而采用沖擊冷卻方式的徑向穩(wěn)定器則不會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

對(duì)比方案2和方案3的端板壁溫云圖可知，將發(fā)散孔傾角由90°改為30°后，端板壁溫分布由中間低兩端高演變成了上端高下端低。結(jié)合圖5可知，相較于方案2，方案3中從徑向穩(wěn)定器端板冷卻孔中出來(lái)的冷卻氣將高溫燃?xì)庹w吹離端板，而未破環(huán)高溫燃?xì)獾牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)，且越到徑向穩(wěn)定器下方，高溫燃?xì)怆x徑向穩(wěn)定器越遠(yuǎn)，端板溫度越低，遠(yuǎn)低于材料的最高許用溫度?？梢?jiàn)，適當(dāng)減小發(fā)散孔傾角能明顯削弱徑向穩(wěn)定器冷卻氣對(duì)其后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

對(duì)比方案3和方案4，兩種方案的端板壁溫分布規(guī)律一致，均小于材料的最高許用溫度。其中，方案4的端板壁溫略高，這是因?yàn)榉桨?對(duì)端板冷卻孔排布進(jìn)行了調(diào)整，將原先的均布改為了分區(qū)排布，分為了上、中、下三個(gè)區(qū)域，且發(fā)散孔數(shù)逐漸減少。相較于方案3，方案4中的高溫燃?xì)怆x徑向穩(wěn)定器端板更近，即減弱了徑向穩(wěn)定器冷卻氣對(duì)其后方流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。可見(jiàn)，在確保徑向穩(wěn)定器不超溫的前提條件下，可適當(dāng)減少端板發(fā)散孔的數(shù)目。

5 結(jié)論

對(duì)采用不同冷卻方式的徑向穩(wěn)定器展開(kāi)了數(shù)值計(jì)算，分析了不同冷卻方式的冷卻效果及對(duì)徑向穩(wěn)定器后方流場(chǎng)的影響。主要得到以下結(jié)論：

(1)沖擊冷卻和沖擊-發(fā)散冷卻均能明顯降低徑向穩(wěn)定器端板壁溫分布，且在相同GC值下，沖擊-發(fā)散冷卻的冷卻效果更好，但該種冷卻方式會(huì)對(duì)徑向穩(wěn)定器后方的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成影響。

(2)適當(dāng)減小沖擊-發(fā)散冷卻的發(fā)散孔傾角，有利于削弱從端板出來(lái)的冷卻氣對(duì)徑向穩(wěn)定器后方流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，但冷卻氣會(huì)將高溫燃?xì)庹w吹離徑向穩(wěn)定器壁面。

(3)針對(duì)發(fā)散孔具有傾角的沖擊-發(fā)散冷卻方式，在保證徑向穩(wěn)定器不超溫的前提條件下，減少端板上的發(fā)散孔數(shù)，雖會(huì)使得端板壁溫有所升高，但可進(jìn)一步削弱從發(fā)散孔中出來(lái)的冷卻氣對(duì)徑向穩(wěn)定器后方流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。