波瓣噴嘴燃燒室流場(chǎng)水流模擬試驗(yàn)研究

王力軍，門(mén) 闊，江金濤，徐義俊

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

1 引言

現(xiàn)代高性能全尺寸燃燒室的研制試驗(yàn)費(fèi)用極其昂貴，為了降低試驗(yàn)費(fèi)用，基于相似原理的模型試驗(yàn)被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)研發(fā)中[1]。由于水和空氣同屬流體，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程都遵循流體基本定律，當(dāng)邊界條件相同時(shí)兩種流體的流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律是一致的[2]。同時(shí)，由于空氣為無(wú)色透明氣體，試驗(yàn)過(guò)程中的可視化觀測(cè)比較困難[3-5]，且運(yùn)用PIV 速度成像技術(shù)成本比較高。因此將相似原理中的水流模擬試驗(yàn)顯示技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)新型燃燒室設(shè)計(jì)中，不僅可節(jié)省大量的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，還能預(yù)測(cè)燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)的分布[6]。另外，相較于氣體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，水流模擬試驗(yàn)具有試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，且水流模擬試驗(yàn)現(xiàn)象更為直觀和形象、易于觀測(cè)和測(cè)量。此外，水流模擬試驗(yàn)還可通過(guò)相似理論中的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似以及邊界條件相似，來(lái)確定實(shí)際工況對(duì)應(yīng)的?；囼?yàn)臺(tái)尺寸和操作條件。

本文采用水流模擬流動(dòng)顯示相似試驗(yàn)方法，搭建了一套航空發(fā)動(dòng)機(jī)新型燃燒室內(nèi)流場(chǎng)水流模擬試驗(yàn)臺(tái)，探究不同波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)流場(chǎng)渦系的結(jié)構(gòu)及演變過(guò)程。同時(shí)，運(yùn)用數(shù)值模擬方法定量研究了不同波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)流場(chǎng)渦系結(jié)構(gòu)特性和演變規(guī)律[7-11]，并將二者結(jié)果進(jìn)行正確性對(duì)比驗(yàn)證分析，為探討不同波瓣噴嘴燃燒室的水流模擬方法提供了可信和有一定應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 水流模擬試驗(yàn)臺(tái)

圖1 水流模擬試驗(yàn)臺(tái)實(shí)體圖Fig.1 Water flow simulation test bed

搭建的航空發(fā)動(dòng)機(jī)波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)流場(chǎng)水流模擬試驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示，由波瓣噴嘴、燃燒室、供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)與拍攝系統(tǒng)等組成。水流入口代表空氣入口，其流量由電磁流量計(jì)控制。共設(shè)計(jì)了常規(guī)波瓣、出口斜置波瓣和外加旋流器波瓣3 種波瓣噴嘴(圖2)，并將其應(yīng)用于新型多點(diǎn)噴射燃燒室設(shè)計(jì)中，成為常規(guī)型、出口斜置型與外加旋流器型波瓣噴嘴燃燒室。圖2(a)為常規(guī)型波瓣噴嘴結(jié)構(gòu)，圖2(b)中虛線輪廓為常規(guī)型波瓣噴嘴出口線型結(jié)構(gòu)，實(shí)線為出口斜置型波瓣噴嘴結(jié)構(gòu)。兩種波瓣噴嘴均采用六花瓣結(jié)構(gòu)，常規(guī)型波瓣的尾緣無(wú)斜置，其內(nèi)外波瓣的張角分別為19.3°與24.2°；與此相對(duì)應(yīng)，出口斜置型波瓣噴嘴參考了Ruetten 等[12-13]的設(shè)計(jì)，將常規(guī)型波瓣噴嘴出口逆時(shí)針整體扭轉(zhuǎn)8.4°。兩種波瓣的長(zhǎng)度均為20.0 mm，直徑為30.0 mm，進(jìn)口平行端長(zhǎng)度為30.0 mm。整個(gè)軸向旋流器安裝在波瓣噴嘴入口平行端前側(cè)(圖2(c))，由36 個(gè)葉片組成，葉片安裝角為10°。

圖2 波瓣噴嘴模型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic design of lobed nozzle model

2.2 試驗(yàn)與模擬方案

共設(shè)計(jì)了3 個(gè)試驗(yàn)方案，即分別用水流模擬常規(guī)型、出口斜置型和外加旋流器型波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)流場(chǎng)。每種波瓣噴嘴燃燒室的試驗(yàn)在同一工況、不同油氣比條件下進(jìn)行。試驗(yàn)操作過(guò)程相同：開(kāi)啟進(jìn)水泵，噴入彩色墨水作為流動(dòng)示蹤顯示劑；用電磁流量計(jì)測(cè)量并通過(guò)主控制器控制其流量；用高速攝像機(jī)記錄波瓣渦系結(jié)構(gòu)及流動(dòng)軌跡在燃燒室內(nèi)的形態(tài)和發(fā)展情況。

表1、表2 分別給出了試驗(yàn)工況和模擬計(jì)算工況。通過(guò)試驗(yàn)定性觀測(cè)分析波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)渦系，利用數(shù)值模擬對(duì)燃燒室內(nèi)渦系進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值分析。依據(jù)數(shù)值模擬所建立的3種波瓣噴嘴燃燒室的模擬工況，由相似原理，在保證數(shù)值模擬工況與水流模擬工況雷諾數(shù)相同的前提下，根據(jù)下式，可以得出水流模擬試驗(yàn)的操作條件。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

表2 數(shù)值模擬工況Table 2 Numerical simulation conditions

式中：Re為雷諾數(shù)；L為模型燃燒室特征長(zhǎng)度；v為模型燃燒室內(nèi)流體流速；ρ為模型燃燒室內(nèi)流體密度；μ為模型燃燒室內(nèi)流體的動(dòng)力黏度；下標(biāo)a表示空氣，w表示水。其中，水和空氣的密度與動(dòng)力黏度均為常量，試驗(yàn)臺(tái)模型與模擬計(jì)算模型的特征長(zhǎng)度之比為3。

3 燃燒室模型及網(wǎng)格

3.1 燃燒室整體參數(shù)

整個(gè)燃燒室模型主要由波瓣噴嘴和漸縮式方形錐體(倒錐體)組成，如圖3 所示。燃燒室模型參考NASA 相同尺寸的燃燒室設(shè)計(jì)[14-15]。燃燒室總長(zhǎng)為255.8 mm，模型燃燒室前端正方形邊長(zhǎng)為207.8 mm，末端正方形邊長(zhǎng)為83.0 mm，出口平行端長(zhǎng)度為40.0 mm。波瓣噴嘴尾緣出口即為燃燒室頭部入口。

圖3 燃燒室?guī)缀文Ｐ图坝?jì)算網(wǎng)格Fig.3 Combustion chamber geometry model and calculation grid

3.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

采用ANSYS 15.0軟件對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行ICEM網(wǎng)格劃分。波瓣噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并且對(duì)壁面采用五層Prim 邊界層網(wǎng)格，波瓣出口尾緣附近局部加密。加密后的第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)距壁面的無(wú)量綱距離函數(shù)y+滿足Realizablek-ε湍流模型標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的要求。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定的網(wǎng)格總數(shù)約為280萬(wàn)。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4 常規(guī)型波瓣噴嘴下游渦系結(jié)構(gòu)水流示蹤結(jié)果Fig.4 Test results of conventional lobe nozzles

圖5 出口斜置型波瓣噴嘴下游渦系結(jié)構(gòu)水流示蹤結(jié)果Fig.5 Test results of exit oblique lobe nozzle

圖6 外加旋流器型波瓣噴嘴下游渦系結(jié)構(gòu)水流示蹤結(jié)果Fig.6 Test results of the applied external cyclone lobe nozzle

圖4～圖6 示出了3 種波瓣噴嘴下游單渦與對(duì)渦結(jié)構(gòu)水流示蹤試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。每組圖對(duì)應(yīng)4個(gè)工況，從左至右油氣比(FAR)由0.035 逐漸減小到0.026，對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量流量逐漸增大，水模擬對(duì)應(yīng)的水流量逐漸增大；圖中虛線為波瓣噴嘴中心軸線。3種波瓣噴嘴在燃燒室中誘導(dǎo)出的單渦結(jié)構(gòu)和對(duì)渦結(jié)構(gòu)隨著油氣比的減小，在大小和空間演變規(guī)律上基本一致，但其大小和拓展范圍有所不同。

4.1.1 常規(guī)型波瓣噴嘴下游流場(chǎng)

由圖4(a)可見(jiàn)，單渦結(jié)構(gòu)在沿燃燒室軸向螺旋式前進(jìn)的同時(shí)，也在不斷地向徑向擴(kuò)散。波瓣噴嘴出口處存在強(qiáng)度較大的渦系結(jié)構(gòu)卷吸附近的流體，促進(jìn)該空間范圍內(nèi)的流體相互摻混并逐漸擴(kuò)展。不同油氣比下渦系結(jié)構(gòu)在形狀和空間演變規(guī)律上一致，但大小和擴(kuò)展范圍不同。隨著入口流量的增大，渦系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展范圍逐漸增大，渦系結(jié)構(gòu)更加明顯。圖4(b)顯示了單個(gè)波瓣噴嘴出口兩側(cè)的對(duì)渦結(jié)構(gòu)分布情況?？煽闯?，在示蹤劑進(jìn)入燃燒室后形成一對(duì)渦系結(jié)構(gòu)，沿燃燒室軸向一同螺旋式前進(jìn)并逐漸摻混。由于兩個(gè)渦系旋向相反，相互摻混得更加充分。隨著入口流量的增大，其渦系結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律與單渦結(jié)構(gòu)的基本一致。

4.1.2 出口斜置型波瓣噴嘴下游流場(chǎng)

圖5(a)為單個(gè)出口斜置型波瓣噴嘴出口處一側(cè)順時(shí)針單渦結(jié)構(gòu)水流示蹤試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。可見(jiàn)，單渦結(jié)構(gòu)中，出口斜置型波瓣噴嘴渦系的發(fā)展?fàn)顟B(tài)與常規(guī)型波瓣噴嘴的相似，同為沿中心軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但由于出口斜置型波瓣噴嘴出口扭轉(zhuǎn)一定角度，水流存在切向分速度，整個(gè)渦系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了沿波瓣噴嘴中心軸線逆向傾斜的趨勢(shì)。由圖5(b)可以看出，對(duì)渦結(jié)構(gòu)與常規(guī)型波瓣噴嘴的類似，但出口斜置型波瓣噴嘴的渦系結(jié)構(gòu)沿下游方向的空間演變范圍更大，摻混效果更好。這說(shuō)明波瓣出口扭轉(zhuǎn)一定角度具有擴(kuò)展波瓣噴嘴下游渦系空間范圍的作用，能夠進(jìn)一步促進(jìn)射流摻混。在斜置型波瓣的出口處，同樣存在強(qiáng)度較大的渦系結(jié)構(gòu)卷吸附近流體，促進(jìn)該空間范圍內(nèi)的流體相互摻混并逐漸擴(kuò)展。這使得渦系的螺旋狀空間拓展形態(tài)和范圍都明顯增大，渦系結(jié)構(gòu)在燃燒室內(nèi)得到明顯加強(qiáng)。同時(shí)，隨著入口流量的增大，渦系結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律與常規(guī)波瓣噴嘴的一致，渦系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展范圍逐漸增大。

4.1.3 外加旋流器型波瓣噴嘴下游流場(chǎng)

圖6(a)為外加旋流器型波瓣噴嘴出口對(duì)渦結(jié)構(gòu)的示蹤試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，外加旋流器型波瓣噴嘴的渦系的發(fā)展?fàn)顟B(tài)與常規(guī)型和出口斜置型兩種波瓣噴嘴的相似，整個(gè)渦系結(jié)構(gòu)同樣存在沿波瓣噴嘴中心軸線傾斜的趨勢(shì)。而其渦系結(jié)構(gòu)沿下游方向的空間演變范圍比圖5(a)的小，說(shuō)明外加旋流器同樣具有擴(kuò)展波瓣噴嘴下游渦系空間范圍的作用，但較出口斜置型波瓣噴嘴的作用弱，圖6(b)的成對(duì)渦系也能說(shuō)明這一點(diǎn)。外加旋流器波瓣噴嘴下游燃燒室內(nèi)摻混效果較常規(guī)型波瓣噴嘴的好，比出口斜置型波瓣噴嘴的稍差。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.2.1 冷態(tài)流場(chǎng)結(jié)果及分析

圖7 顯示了3 種波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)數(shù)值模擬的冷態(tài)流場(chǎng)。可看出，3 種波瓣燃燒室內(nèi)的冷態(tài)流場(chǎng)分布基本一致，波瓣噴嘴出口處及每個(gè)波瓣波峰處的速度都較大。常規(guī)型波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)存在射流貼壁現(xiàn)象，且速度分布不均勻；外加旋流器型波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)射流貼壁情況稍有改善，且速度分布較常規(guī)型波瓣的均勻；出口斜置型波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)射流貼壁現(xiàn)象消失，且整體速度分布均勻性較好。造成上述狀況的原因是，兩種預(yù)置渦量波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)出口都有一定的切向分速度，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的射流徑向影響范圍縮小。對(duì)燃燒室內(nèi)射流徑向影響范圍而言，外加旋流器型波瓣噴嘴的略大于出口斜置型波瓣噴嘴的。

4.2.2 燃燒室內(nèi)渦量值分析

由于波瓣噴嘴的特殊幾何形狀，其下游射流混合流場(chǎng)中存在較大規(guī)模的流向渦，這是流動(dòng)混合增強(qiáng)的主要原因。此外，由于K-H不穩(wěn)定性可以出現(xiàn)在任何自由剪切層中，所以會(huì)有流向渦以及正交渦的出現(xiàn)，而旋渦破裂產(chǎn)生的高強(qiáng)度湍流使整體混合過(guò)程顯著改善。圖8(a)為油氣比0.026時(shí)3種波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)流向渦渦量值沿流向變化的曲線圖?？煽闯?，3 種波瓣噴嘴燃燒室的流向渦渦量值變化趨勢(shì)相似，且波瓣噴嘴出口處的渦量值最大。隨后由于流向渦之間相互擠壓摻混及湍流的耗散作用，渦量值都呈急劇下降趨勢(shì)。當(dāng)x(沿流向距燃燒室入口距離)大于0.1 時(shí)，此時(shí)的位置已是燃燒室的后半部分，其流向渦的渦量值較小。燃燒室內(nèi)正交渦渦量值如圖8(b)所示，其變化規(guī)律與流向渦的相似。

圖7 波瓣燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)Fig.7 Cold flow field in the lobe combustor

4.3 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖9為以油氣比0.026為例的3種波瓣噴嘴在燃燒室內(nèi)單渦的軌跡線模擬結(jié)果與試驗(yàn)示蹤結(jié)果對(duì)比。由圖可看出，渦系模擬計(jì)算軌跡結(jié)構(gòu)沿流向的演變位置、渦系的空間拓展形態(tài)以及范圍，與水模擬試驗(yàn)示蹤結(jié)果顯示的基本相同。說(shuō)明運(yùn)用水流模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算相互驗(yàn)證的方法來(lái)研究波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)的渦系結(jié)構(gòu)和流動(dòng)軌跡可行。

圖8 燃燒室內(nèi)渦量值沿流向的變化Fig.8 Variation of vortex value in combustion chamber along flow direction

圖9 波瓣噴嘴單渦渦系模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 The comparison diagram between simulation and experiment of lobe nozzle single vortex system

5 結(jié)論

搭建了水流模擬試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)觀測(cè)、研究了不同波瓣噴嘴燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，以空氣為介質(zhì)對(duì)相同波瓣燃燒室內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析。對(duì)比分析水模擬相似試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，主要得出如下結(jié)論：

(1) 數(shù)值模擬渦系軌跡結(jié)構(gòu)與水流模擬試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的渦系結(jié)構(gòu)相似，渦系演變規(guī)律一致。所設(shè)計(jì)的3 種波瓣噴嘴在相同工況下，出口斜置型與外加旋流器型這兩種有預(yù)置渦量的波瓣噴嘴燃燒室，其下游渦強(qiáng)度更大。對(duì)流向渦渦量值而言，出口斜置型最大，外加旋流器型次之，常規(guī)型最小。3種波瓣噴嘴在燃燒室內(nèi)均產(chǎn)生了復(fù)雜的渦系結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了射流的摻混，對(duì)穩(wěn)定燃燒及降低污染物排放有一定的作用。

(2) 波瓣噴嘴出口處流向渦以及正交渦的渦量值達(dá)到最大，且沿程逐漸衰減；旋渦破裂產(chǎn)生的高強(qiáng)度湍流使整體混合過(guò)程顯著改善。

(3) 不同工況下，3 種波瓣噴嘴下游的渦系變化規(guī)律趨于一致。隨著入口流量的增大，燃燒室內(nèi)的渦系結(jié)構(gòu)在形狀和空間演變規(guī)律上基本一致，且大小和擴(kuò)展范圍逐漸增大。