旋流器結(jié)構(gòu)對中心分級燃燒室冷態(tài)流場的影響

里海洋，王成軍

(沈陽航空航天大學(xué) 航空發(fā)動機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

燃燒室作為航空發(fā)動機(jī)的心臟，對航空發(fā)動機(jī)的推力和工作效率等性能具有重要影響。隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，燃燒室也正向著高溫升、低排放的趨勢發(fā)展[1]，而高溫升和低排放存在沖突，常規(guī)的燃燒室想要同時滿足高溫升和低排放的要求較為困難。近年來，中心分級燃燒室這一新型燃燒室，通過分級燃燒的方法同時滿足了燃燒室的高溫升、低排放要求[2]。中心分級燃燒室的分級燃燒分為徑向分級和軸向分級兩種。通過燃燒室頭部的旋流器將燃燒室分為預(yù)燃區(qū)和主燃區(qū)兩個區(qū)域，每一個區(qū)域都可以按照改善燃燒室部分性能的要求進(jìn)行設(shè)計，并且通過預(yù)燃區(qū)和主燃區(qū)的相互作用，實現(xiàn)了高溫升與低排放的燃燒反應(yīng)[3]。

旋流器在燃燒室中起到了穩(wěn)定火焰的作用，使油氣混合氣在燃燒室內(nèi)的火焰筒頭部后產(chǎn)生較強(qiáng)湍流，并在旋流器下游產(chǎn)生中心回流區(qū)，使火焰穩(wěn)定[4]。對于燃燒室來說，參與燃燒反應(yīng)的空氣有20%～30%經(jīng)由燃燒室內(nèi)火焰筒頭部的旋流器流入，旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)如旋向組合、文氏管、葉片安裝角角度等都會對燃燒室流場產(chǎn)生巨大影響，進(jìn)而影響著燃燒室的燃燒效率[5]。

國內(nèi)外學(xué)者針對旋流器結(jié)構(gòu)對燃燒室的影響展開了大量研究。呼姚等以雙級徑向旋流器為研究對象，設(shè)計了5種雙級徑向旋流器結(jié)構(gòu)方案，采用數(shù)值模擬的方法得出了旋流器結(jié)構(gòu)對雙級燃燒室流場和溫度場的影響[6];楊興林等以雙級軸向旋流器為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法分析并得出了旋流器葉片安裝角和文氏管擴(kuò)張角對湍流火焰的影響[7]；Li等采用PIV技術(shù)對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三級旋流器燃燒室的流場特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的旋流器對燃燒室回流區(qū)具有很大影響[8]；Mansour等進(jìn)行的多級燃燒室流場試驗研究及其相關(guān)冷態(tài)流場數(shù)值仿真表明，多級旋流技術(shù)對提高燃燒室流場的品質(zhì)具有重要作用[9]。

本文以主燃級旋流器帶有一定擴(kuò)張角角度的三級旋流中心分級燃燒室為研究對象，采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，研究不同結(jié)構(gòu)下的三級旋流器對中心分級燃燒室冷態(tài)流場的影響，為提高燃燒室的燃燒效率提供依據(jù)。

1 研究對象及方法

1.1 建立幾何模型

利用三維建模軟件Solidworks2020建立中心分級燃燒室?guī)缀文Ｐ?。為了便于計算，在模型設(shè)計的過程中對中心分級燃燒室模型進(jìn)行了簡化，未設(shè)計主燃孔與摻混孔，所以相比于常規(guī)結(jié)構(gòu)的燃燒室主燃級的空氣流量要大得多。各級旋流器氣量的分配如下：主燃級旋流器的空氣占80%，值班級第一級與第二級旋流器分別占8%與12%。旋流器后中心分級燃燒室長度為200 mm，直徑為130 mm，出口處有收斂段，如圖1所示。旋流器為主燃級帶有一定擴(kuò)張角角度的三級旋流器，由值班級旋流器、主燃級旋流器、文氏管、套筒和噴嘴等組成，如圖2所示。值班級旋流器又稱為預(yù)燃級旋流器，由兩級旋向相反的軸向旋流器構(gòu)成。主燃級旋流器也為軸向旋流器，與值班級第二級旋流器旋向相同。值班級第一級旋流器的內(nèi)直徑為12 mm，外直徑為20 mm，葉片數(shù)量為6，葉片安裝角角度為40°。值班級第二級旋流器的內(nèi)直徑為22 mm，外直徑為28 mm，葉片數(shù)量為8，葉片安裝角角度為50°。主燃級旋流器內(nèi)直徑為60 mm，外直徑為70 mm，軸向葉片個數(shù)為36，長度5.7 mm，葉片安裝角角度為60°。

圖1 中心分級燃燒室?guī)缀文Ｐ?/p>

圖2 旋流器結(jié)構(gòu)

1.2 計算域網(wǎng)格劃分

使用Gambit軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。本文研究的中心分級燃燒室模型中，中心分級燃燒室部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而旋流器部分的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此對旋流器所在區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。并進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。通過對劃分的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，如圖4所示選取網(wǎng)格數(shù)量為120萬、135萬、150萬和165萬四種方案，得出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到120萬以上時，中心回流區(qū)形狀和大小基本保持不變，最終選擇計算網(wǎng)格的數(shù)量為120萬。

圖3 中心分級燃燒室計算域網(wǎng)格

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)下燃燒室中心回流區(qū)大小

1.3 計算模型及邊界條件

燃燒室出口邊界條件為壓力出口，設(shè)置為一個大氣壓。出口溫度為290 K，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.1 m。中心分級燃燒室的各壁面邊界條件為無滑移絕熱壁面，近壁面區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，滿足FLUENT壁面函數(shù)處理近壁面流動的要求。

2 研究方案

通過控制變量法，即只改變某一級值班級旋流器葉片安裝角角度或主燃級旋流器擴(kuò)張角角度，而保持其余兩級旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，且劃分燃燒室計算域網(wǎng)格方法、邊界條件以及計算模型選擇均相同。制定了如下方案,見表1。

表1 各級旋流器結(jié)構(gòu)方案

研究主燃級旋流器擴(kuò)張角角度對冷態(tài)流場的影響時，選擇方案A、B、C、D。研究值班級第一級旋流器葉片安裝角角度對冷態(tài)流場的影響時，選擇方案E、F、C、G。研究值班級第二級旋流器葉片安裝角角度對冷態(tài)流場的影響時，選擇方案H、I、C、J。通過對數(shù)值仿真結(jié)果的對比來確定流場品質(zhì)最優(yōu)的方案。最優(yōu)方案評價的依據(jù)為中心回流區(qū)的形狀及面積，中心回流區(qū)形狀最為圓潤，且長度、寬度及面積適中的方案為流場品質(zhì)最優(yōu)的方案。

3 結(jié)果分析

3.1 主燃級旋流器擴(kuò)張角角度對冷態(tài)流場的影響

為研究主燃級旋流器擴(kuò)張角角度對冷態(tài)流場的影響，分別對A、B、C、D四種方案進(jìn)行數(shù)值仿真計算，將各方案計算結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果如圖5～7所示。

圖5為四種方案下的中心分級燃燒室縱截面冷態(tài)速度分布云圖，從云圖中可以發(fā)現(xiàn)從中心分級燃燒室進(jìn)口流入的氣流分別從值班級旋流器和主燃級旋流器進(jìn)入燃燒室，空氣流經(jīng)兩級值班級旋流器后形成值班級旋流，并與流經(jīng)主燃級旋流器的主燃級旋流相互影響，形成中心回流區(qū)。其作用是在燃燒反應(yīng)發(fā)生時提供穩(wěn)定的點火源，來保證燃燒火焰的穩(wěn)定。方案A、B、C均形成了形狀良好的橢圓形中心回流區(qū)，方案D由于主燃級擴(kuò)張角角度過大，大部分通過主燃級旋流器的空氣未與通過值班級旋流器的空氣相互作用，直接進(jìn)入了中心回流區(qū)，影響了中心回流區(qū)的產(chǎn)生和發(fā)展，故未能形成形狀良好的中心回流區(qū)。

圖5 縱截面冷態(tài)速度分布云圖(1)

圖6為A、B、C、D四種方案的中心回流區(qū)曲線，以值班級第二級旋流器出口截面中心點為燃燒室中心軸線長度(X)為0的點，即X=0 m。通過觀察圖6中方案A、B、C的中心回流區(qū)曲線，得出方案A、B、C的中心回流區(qū)長度分別為0.181 m、0.137 m、0.128 m，寬度分別為0.085 m、0.056 m、0.041 m。就回流區(qū)面積大小來看，方案A最大，方案C最小。就回流區(qū)形狀來看，方案A的中心回流區(qū)結(jié)束處呈W形狀，這是由于中心回流區(qū)長度較長，中心分級燃燒室出口收斂段影響了回流區(qū)的發(fā)展。同時可以看出中心回流區(qū)寬度過大，已經(jīng)接近燃燒室壁面，燃燒反應(yīng)時很可能會因為溫度過高而導(dǎo)致燃燒室壁面損壞的情況。方案C的中心回流區(qū)曲線形狀比方案B更加圓潤。

圖6 中心回流區(qū)曲線(1)

圖7為燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線，從圖中可以看到從旋流器出口流出的氣體速度為負(fù)值，后受到值班級旋流器與主燃級旋流器的影響，速度的絕對值逐漸增加，在X=0.02 m時速度絕對值達(dá)到最大，之后速度絕對值逐漸減小。

圖7 燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線(1)

在X=0.05 m時，方案A、B、C的速度變得平穩(wěn)，開始形成中心回流區(qū)，之后速度曲線呈指數(shù)式上升，由于主燃級擴(kuò)張角角度的不同導(dǎo)致進(jìn)氣量不同，所以曲線的增長速度略有不同，方案A的增長速率最小，方案B的增長速率最大。在X=0.27 m時，由于受到中心分級燃燒室出口收斂段的影響，方案A、B、C的速度陸續(xù)達(dá)到最大值之后，開始逐漸減小。方案D的曲線在X=0.05 m時并沒有進(jìn)入到一個速度平穩(wěn)的狀態(tài)，而是速度值繼續(xù)增加，從圖5中也可以看出方案D的中心回流區(qū)極小。在X=0.27 m時，與其他三種方案一樣，由于受到燃燒室出口收斂段的影響，速度達(dá)到最大值之后逐漸減小。

通過以上分析可以得出，相比于方案A、B、D，選擇方案C，即主燃級旋流器擴(kuò)張角角度為20°時，中心分級燃燒室冷態(tài)流場的品質(zhì)最佳。

3.2 值班級第一級旋流器葉片安裝角角度對冷態(tài)流場的影響

通過對E、F、C、G四種方案進(jìn)行數(shù)值仿真計算，并將計算結(jié)果進(jìn)行對比，來研究值班級第一級旋流器葉片安裝角角度對冷態(tài)流場的影響，結(jié)果如圖8～10所示。

圖8為方案E、F、C、G的中心分級燃燒室縱截面冷態(tài)速度分布云圖，從四種方案云圖中可以發(fā)現(xiàn)，方案E、F、C均形成了形狀良好的橢圓形中心回流區(qū)，方案G由于值班級第一級旋流器安裝角角度過大，使通過值班級的氣流流量發(fā)生了改變，影響了流過值班級旋流器的氣流與流過主燃級旋流器的氣流之間的相互作用效果，從而影響了中心回流區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)展，所以生成的中心回流區(qū)長度短、寬度小，形狀不佳。

圖8 縱截面冷態(tài)速度分布云圖(2)

圖9為方案E、F、C、G的中心回流區(qū)曲線圖，同樣以值班級第二級旋流器出口截面中心點為X=0 m的點。通過觀察圖9中方案E、F、C的中心回流區(qū)曲線，得出方案E、F、C的中心回流區(qū)長度分別為0.113 m、0.122 m、0.128 m，寬度分別為0.032 m、0.034 m、0.038 m。就回流區(qū)面積大小來看，方案C最大，方案E最小。就回流區(qū)形狀來看，方案E、F、C的中心回流區(qū)形狀均較為圓潤。

圖9 中心回流區(qū)曲線(2)

圖10為燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線，可以看出方案E、F、C的速度變化趨勢與圖7中A、B、C的速度變化趨勢基本相同，方案G與圖7中方案D的速度變化趨勢也基本相同，這里不再贅述。方案G的速度變化趨勢充分證明了值班級第一級旋流器葉片安裝角角度過大會影響中心分級燃燒室的冷態(tài)流場品質(zhì)。

圖10 燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線(2)

通過以上分析可以得出，相比于方案E、F、G，方案C的中心回流區(qū)形狀較好，面積較大，故選擇方案C時，即值班級第一級旋流器葉片安裝角角度為40°時，中心分級燃燒室冷態(tài)流場的品質(zhì)最佳。

3.3 值班級第二級旋流器葉片安裝角角度對冷態(tài)流場的影響

通過對H、I 、C、J四種方案進(jìn)行數(shù)值仿真計算，并將計算結(jié)果進(jìn)行對比，來研究值班級第二級旋流器葉片安裝角角度對冷態(tài)流場的影響，結(jié)果如圖11～13所示。

圖11為方案H、I、C、J的中心分級燃燒室縱截面冷態(tài)速度分布云圖，從四種方案云圖中可以發(fā)現(xiàn)，方案H、I、J均形成了形狀良好的橢圓形中心回流區(qū)，方案J與3.2中的方案G同理，由于值班級第二級旋流器葉片安裝角角度過大，影響了流過值班級旋流器的氣流與流過主燃級旋流器的氣流之間的相互作用效果，從而影響了中心回流區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)展，所以生成的中心回流區(qū)短胖，即長度短、寬度小。

圖11 縱截面冷態(tài)速度分布云圖(3)

圖12 中心回流區(qū)曲線(3)

圖13 燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線(3)

圖12為方案H、I、C、J的中心回流區(qū)曲線圖，仍然以值班級第二級旋流器出口截面中心點為X=0 m的點。通過觀察圖9中方案H、I、C的中心回流區(qū)曲線，得出方案H、I、C的中心回流區(qū)長度分別為0.123 m、0.120 m、0.128 m，寬度分別為0.042 m、0.044 m、0.038 m。就回流區(qū)長度來看，方案I最小，方案C最大；就回流區(qū)寬度來看，方案I最大，方案C最小。故三種方案的中心回流區(qū)面積基本相同。就形狀而言，方案C的中心回流區(qū)呈窄長狀，相比于方案H和方案I而言不利于燃燒室燃燒火焰的穩(wěn)定，而方案H的中心回流區(qū)比方案I更為圓潤。

圖13為燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線，可以看出方案H、I、C的速度變化趨勢仍然與圖7中A、B、C的速度變化趨勢基本相同。在X=0.05 m時，方案H、I、C進(jìn)入了平緩的負(fù)速度區(qū)域，此時開始形成中心回流區(qū)?？梢钥闯龇桨窰、I的負(fù)速度區(qū)域相較于方案C更加穩(wěn)定，方案C呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，驗證了方案C中心回流區(qū)曲線長度稍長，不利于燃燒室燃燒火焰的穩(wěn)定。方案J的中心軸線速度曲線在X=0.05 m時并沒有達(dá)到一個平穩(wěn)的狀態(tài)，而是速度值繼續(xù)增加，從圖11的云圖中也可以看出回流區(qū)短胖。在X=0.16 m至X=0.22 m時速度值出現(xiàn)了平穩(wěn)區(qū)間，但是不是負(fù)速度區(qū)間，不是中心回流區(qū)。在X=0.27 m時，由于受到中心分級燃燒室出口收斂段的影響，速度達(dá)到最大值之后，再逐漸減小。方案J的速度變化趨勢證明了值班級第二級旋流器葉片安裝角角度過大會影響中心分級燃燒室的冷態(tài)流場品質(zhì)。

通過以上分析可以得出，相比于方案I、C、J，方案H的中心回流區(qū)形狀較好，故選擇方案H時，即值班級第二級旋流器葉片安裝角角度為50°時，中心分級燃燒室冷態(tài)流場的品質(zhì)最佳。

4 結(jié)論

本文以主燃級帶有一定擴(kuò)張角角度的三級旋流中心分級燃燒室為研究對象，通過控制變量法，并通過對比的方法來分別研究主燃級旋流器擴(kuò)張角角度、值班級第一級旋流器安裝角角度以及值班級第二級旋流器安裝角角度對中心分級燃燒室冷態(tài)流場的影響。得出以下結(jié)論并將得出的結(jié)論與文獻(xiàn)[10]的試驗研究得出的結(jié)論基本相同，說明仿真結(jié)果具有一定的可信度。

(1) 主燃級旋流器擴(kuò)張角角度過大會導(dǎo)致中心回流區(qū)難以形成，擴(kuò)張角角度過小時會導(dǎo)致中心回流區(qū)尺寸較大，導(dǎo)致燃燒室壁面溫度過高。因此，主燃級旋流器擴(kuò)張角角度為20°時，中心回流區(qū)的形狀最好，中心分級燃燒室冷態(tài)流場的品質(zhì)最佳。

(2) 值班級第一級、第二級旋流器葉片安裝角角度對燃燒室冷態(tài)流場的影響不如主燃級擴(kuò)張角角度的明顯，但是值班級旋流器葉片安裝角角度過大或過小會導(dǎo)致中心回流區(qū)的長度增加，不利于主燃區(qū)的穩(wěn)定，或者中心回流區(qū)不是優(yōu)良的形狀，沒有呈現(xiàn)出橢圓形。所以值班級第一級、第二級旋流器葉片安裝角角度分別為40°、50°時中心回流區(qū)的形狀最好，中心分級燃燒室冷態(tài)流場的品質(zhì)最佳。