強旋-V形鈍體火焰穩(wěn)定器燃燒機理仿真研究

■ 孫浩峰 吳云柯 / 中國航發(fā)研究院

新型強旋-V形鈍體組合火焰穩(wěn)定器可用于解決加力燃燒狀態(tài)下存在的燃燒不穩(wěn)定、火焰猝熄、火焰截面溫度不均及油耗偏高等問題。以數(shù)值仿真為手段，從瞬態(tài)渦量、尾跡流時均速度型、燃燒溫度場及瞬態(tài)火焰擴散機制的角度出發(fā)，系統(tǒng)分析其穩(wěn)燃機理與性能，為試驗驗證提供參考、為工程應(yīng)用提供支撐。

鈍體火焰穩(wěn)定器是軍用燃氣渦輪發(fā)動機加力燃燒室的核心部件，它的設(shè)計水平?jīng)Q定了發(fā)動機的高速性能。本文針對加力燃燒狀態(tài)下存在的燃燒不穩(wěn)定、火焰猝熄、火焰截面溫度不均及油耗偏高等問題，利用燃燒數(shù)值仿真方法，研究了一種新型強旋-V形鈍體組合火焰穩(wěn)定器的燃燒機理。該結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點在于通過流向渦結(jié)構(gòu)與鈍體繞流形成的旋渦結(jié)構(gòu)相互作用，強化燃料摻混和火焰擴散，最終達到高效穩(wěn)燃的目的。

圖 1 強旋-V形鈍體組合火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)

研究對象與研究方法

強旋流形成的回流區(qū)旋渦結(jié)構(gòu)是流向與展向旋渦運動的疊加，因此其油氣摻混效果往往要優(yōu)于鈍體穩(wěn)燃結(jié)構(gòu)。圖1所示為本研究提出的強旋-V形鈍體組合火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)方案。

V形鈍體選取折角35°、槽寬37.5mm的標準二維V形鈍體。旋流器藏于V形鈍體槽內(nèi)，通過外部高壓氣源切向進氣使其能夠在出口處形成流向渦。將高壓氣源引入的強旋流定義為旋流器進氣流量與主流流量的比值。

數(shù)值仿真研究通過在商用軟件CFX 18.2中求解雷諾平均的納維-斯托克斯（N-S）方程完成，并利用SSG格式的雷諾應(yīng)力湍流模型?；牧鳎紵磻?yīng)流動通過求解火焰速度模型（BVM）得到。相比過去基于分子反應(yīng)速率的模型，BVM利用湍流火焰速度封閉源項的方式有突出優(yōu)勢：在給定條件下，湍流燃燒速度的變化范圍是一階的，分子反應(yīng)速率在碳氫燃燒過程中的量級隨計算域發(fā)生的變化是高階的；隨著現(xiàn)代流動與燃燒試驗技術(shù)的發(fā)展，湍流燃燒速度可以通過試驗直接且精確測得，因此對于所需模擬的燃燒問題，只要湍流燃燒速度有可參考試驗數(shù)據(jù)，模擬的準確性就能得到保證。對于本文研究的問題，可認為是火焰?zhèn)鞑ニ俣纫阎?、點火條件未知的一類“黑箱”問題，因此希望由模型帶入的不確定量越少越好。而BVM相對分子反應(yīng)速率類模型，燃燒相關(guān)量完全由確定的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣葲Q定，因此更便于本文燃燒相關(guān)問題的研究。

空間離散網(wǎng)格采用ANSYS ICEM 17.2網(wǎng)格生成器繪制，為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合網(wǎng)格，網(wǎng)格總體質(zhì)量控制在0.5以上。對于雷諾應(yīng)力模型（RSM），還須對網(wǎng)格無關(guān)解進行驗證，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)解驗證后的網(wǎng)格總規(guī)?？刂圃?00萬左右。

穩(wěn)燃機理與性能

瞬態(tài)渦量分析

考慮到流動結(jié)構(gòu)的相似性，定性的穩(wěn)燃機理分析以冷熱態(tài)典型來流工況為例展開，其中雷諾數(shù)Re=50000、Tin=700K、當(dāng)量比phi=1、吹風(fēng)比M=1。

如圖2（a）所示的冷態(tài)渦量全局效果，旋渦結(jié)構(gòu)以速度云圖著色?？梢娛芰飨驕u影響，V形鈍體繞流尾跡結(jié)構(gòu)發(fā)生了細小變化：擬渦街結(jié)構(gòu)被流向渦渦管連通；原本在無兩端剪切作用條件下，應(yīng)保持平行、直柱狀的脫落渦，受上游流向渦影響在空間上發(fā)生了扭曲；流場的展向兩端出現(xiàn)了一些小尺度的脫落渦結(jié)構(gòu)，這些沿槽寬方向外側(cè)擴散的小渦，和連通渦街的流向渦渦管一樣，對于火焰的均勻擴散都是有幫助的。

熱態(tài)條件下的瞬態(tài)渦量場的整體較為簡單，渦結(jié)構(gòu)表面以溫度云圖著色，便于區(qū)分流場中已燃和未燃區(qū)域。在渦量場中，首先確認到了遠尾跡中成對脫落的流向渦結(jié)構(gòu)，雖然它是成對脫落，但其整個渦管受流向渦及其形成的近尾跡區(qū)展平面法向大尺度旋渦影響，發(fā)生了一定程度的彎曲；其次由強旋流生成的展平面法向渦對流場也有一定的過濾作用，尾跡下游僅有一對大尺度旋渦，其余都是小尺度流向渦，這對于燃燒穩(wěn)定是有益的。進一步觀察圖2（a）和（b），兩圖都反映了流向渦及其誘發(fā)的展平面法向渦對展向渦的作用。圖中展向脫落渦的“渦腳”結(jié)構(gòu)，即是由流向渦誘發(fā)的。

圖2 尾跡瞬態(tài)渦量場

圖3 尾跡流時均速度（為方便比對，數(shù)據(jù)經(jīng)過無量綱處理）

尾跡流時均速度型分析

數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，火焰只能在吹風(fēng)比M=1附近點燃，其原因須通過尾跡速度分析得到。強旋-V形鈍體組合穩(wěn)燃方案安排旋流器噴射一股軸向強旋流。如圖3（a）所示，在吹風(fēng)比較大時，從旋流器中噴射出的強旋流出口經(jīng)膨脹后的速度甚至超過了主流來流，在這一速度下，顯然是難以燃著火焰的。而當(dāng)M接近于1時，旋流器出口的速度達到了和回流速度接近的量級。此時，旋流器射流與鈍體繞流回流動量互相抵消，可以構(gòu)成低速點火條件。

反之，當(dāng)M較小時，由于旋流器設(shè)置為低壓高速出口模式，鈍體回流可能流入旋流器中，此時無法形成軸向旋流；而M較大時，則形成大吹風(fēng)比高速火焰吹熄模式。故而火焰只能在M=1附近工況下點燃。

更進一步，圖3（b）給出了絕對速度型的強旋-V形鈍體穩(wěn)燃速度型，由于展平面法向渦的存在，強旋-V形鈍體組合穩(wěn)燃速度型出現(xiàn)了雙折結(jié)構(gòu)。這一速度型也將有利于提升下游流動加速能力，對加力燃燒室而言，是有利的。

燃燒溫度場分析

如圖4所示，利用流向渦結(jié)構(gòu)強化火焰擴散與摻混后，鈍體火焰穩(wěn)定器展向火焰擴散不均的問題得到改善。

瞬態(tài)火焰擴散機制分析

圖5給出了強旋-V形鈍體穩(wěn)燃火焰擴散機制的定性描述。圖中火焰采用等溫面描繪，并給出局部溫度分布云圖。如圖5（a）所示，在初始階段，強旋-V形鈍體穩(wěn)燃火焰是在其展平面法向渦構(gòu)成的低速流動區(qū)域內(nèi)燃著的，并以此為火焰核心，向上下游擴散。圖5（b）則給出了火焰擴散方式的示意圖，向下游火焰主要仍然由鈍體繞流的展向旋渦完成擴散。因此，強旋-V形鈍體穩(wěn)燃火焰實際上是兩種穩(wěn)燃方式的組合，即利用展平面大尺度渦構(gòu)造低速旋渦中心區(qū)域穩(wěn)定燃燒，再利用常規(guī)鈍體的展向渦擴散燃燒。

圖4 強旋-V形鈍體時均火焰外形

圖5 強旋 -V形鈍體穩(wěn)燃火焰擴散機制

表1 強旋鈍體組合穩(wěn)燃方案燃燒效率

燃燒效率

從表1可見，通入強旋流后，在未改變其他流動條件的情況下，M=1的強旋-V形鈍體組合燃燒效率與傳統(tǒng)V形鈍體（M=0）相比有了較大幅度的提升。但其他吹風(fēng)比條件下燃燒效率相比其他鈍體穩(wěn)燃方案都有大幅降低，這也暴露了強旋-V形鈍體組合穩(wěn)燃方案對流場條件較敏感的缺點。

結(jié)束語

本文以數(shù)值模擬為手段，開展強旋-V形鈍體組合火焰穩(wěn)定器穩(wěn)燃機理研究，研究結(jié)果表明：流向渦結(jié)構(gòu)是強旋-V形鈍體組合火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定燃燒的決定性因素；燃燒過程中，強旋-V形鈍體組合下游存在雙折、低速速度型結(jié)構(gòu)，該速度型結(jié)構(gòu)有利于高速來流條件下點火和穩(wěn)定燃燒；強旋流的存在有利于火焰快速擴散，可改善火焰穩(wěn)定器下游火焰溫度場分布不均問題；強旋-V形鈍體的穩(wěn)燃機理為利用展平面大尺度渦構(gòu)造低速旋渦中心區(qū)域穩(wěn)定燃燒，再利用常規(guī)鈍體的展向渦擴散燃燒；強旋-V形鈍體組合穩(wěn)燃方案對吹風(fēng)比較為敏感，在M=1時，可得到較高燃燒效率?？紤]到數(shù)值模擬研究工作的局限性，后續(xù)還將在本文研究結(jié)論基礎(chǔ)上，開展進一步的燃燒試驗研究工作。