波瓣形混合器加力燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)特性研究

魏旭星，黃 元，王定奇

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089)

1 引 言

加力燃燒室作為軍用發(fā)動(dòng)機(jī)提高推力、改善性能的重要部件，其工作特性受內(nèi)外涵氣流混合效果的影響很大。目前，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室中廣泛采用的混合器結(jié)構(gòu)主要有兩種：環(huán)形混合器(見圖1)和波瓣形混合器(見圖2)。這兩種混合器在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上均有大量的應(yīng)用，如美國(guó)普惠公司研制的TF30、F100發(fā)動(dòng)機(jī)等采用了環(huán)形混合器，俄羅斯АЛ-31Ф、美國(guó)F110等為典型的波瓣形混合器[1]。

圖1 環(huán)形混合器

圖2 波瓣形混合器

環(huán)形混合器的進(jìn)氣方式為平行進(jìn)氣，兩股氣流之間的混合依賴于射流之間的剪切作用，混合均勻性欠佳，由此造成加力燃燒室燃燒效率偏低，但其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、重量輕以及氣動(dòng)損失小等優(yōu)點(diǎn)。波瓣形混合器的出口為褶曲的尾緣型面，內(nèi)外涵氣流在流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫摻混，從而提升外涵氣流溫度，改善燃燒條件，這對(duì)提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率是有利的。

波瓣形混合器在改善加力燃燒室進(jìn)氣方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但其也帶來(lái)了設(shè)計(jì)、制造難度加大、氣流擾動(dòng)劇烈等問題?；旌掀鲀?nèi)部氣流混合的物理過程非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2-9]對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究。Bradshaw等[10]發(fā)現(xiàn)，在混合器上增加小突片可以誘導(dǎo)流場(chǎng)變形，并在突片外緣形成流向渦，從而加強(qiáng)了氣流的混合作用。張哲衡等[11]用帶熱電偶的五孔探針對(duì)混合器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明，在波瓣形混合器尾緣處產(chǎn)生的相互逆轉(zhuǎn)的流向渦會(huì)加強(qiáng)內(nèi)、外涵氣流的對(duì)流混合，從而增強(qiáng)混合效果。孫雨超等[12]提出了一種一體化的加力燃燒室方案設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬結(jié)果表明，加力燃燒室出口截面溫度分布均勻，綜合性能良好。

目前，波瓣形混合器已在多型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，但對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)構(gòu)型還缺乏清楚的認(rèn)識(shí)。本文采用FLUENT軟件對(duì)帶有波瓣形混合器的加力燃燒室進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了經(jīng)過混合器后的流場(chǎng)圖譜，通過分析內(nèi)部氣體流動(dòng)規(guī)律，掌握加力燃燒室冷態(tài)時(shí)的工作特性。

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬具有成本低、不受試驗(yàn)條件限制等優(yōu)勢(shì)，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，其在計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性上也有了很大的提升。

2.1 建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)本研究的需求，繪制了相應(yīng)的三維模型。其中，波瓣形混合器如圖3所示，波瓣數(shù)目為24個(gè)?；鹧娣€(wěn)定器如圖4所示，其結(jié)構(gòu)主要為三圈環(huán)形火焰穩(wěn)定器，中圈環(huán)形穩(wěn)定器為主穩(wěn)定器，大圈穩(wěn)定器、小圈穩(wěn)定器與中圈穩(wěn)定器采用錯(cuò)位布置，以減少當(dāng)?shù)刈枞群土黧w損失。三圈環(huán)形穩(wěn)定器分別通過12個(gè)傳焰槽相連通，從而改善火焰在徑向的傳播。加力燃燒室的三維數(shù)模如圖5所示，主要由波瓣形混合器、中心錐、環(huán)形穩(wěn)定器以及外筒體等組成，根據(jù)內(nèi)流場(chǎng)模擬的需要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化。

圖3 波瓣形混合器

圖4 環(huán)形穩(wěn)定器

圖5 加力燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于該模型具有周期性的特點(diǎn)，在網(wǎng)格劃分和計(jì)算過程中，選取了1/4的模型作為研究對(duì)象。在網(wǎng)格生成過程中，采用六面體和四面體為主的劃分方法，并在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。網(wǎng)格總數(shù)約為790萬(wàn)。

2.2 數(shù)值模擬方法

在穩(wěn)態(tài)情況下，采用分離隱式求解器進(jìn)行計(jì)算。湍流模型采用Realizable k-epsilion模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，各物理量離散采用二階迎風(fēng)格式，殘差收斂到10-5。

2.3 邊界條件設(shè)置

采用質(zhì)量流量作為入口邊界條件，同時(shí)在入口設(shè)置總溫和總壓，各物理量經(jīng)歸一化處理后的詳細(xì)設(shè)置在表1中給出。

表1 各物理量的設(shè)置

針對(duì)該模型的特點(diǎn)，近壁面采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。外場(chǎng)定義為壓力出口，溫度和壓力根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算和給定。

3 結(jié)果分析

3.1 加力燃燒室溫度場(chǎng)

圖6為加力燃燒室各表面溫度分布，和內(nèi)涵氣流直接接觸的各個(gè)表面，其溫度均較高，而和外涵氣流直接接觸的各個(gè)表面，溫度相應(yīng)較低。從圖7所示的中心截面溫度分布可以看出，外涵低溫氣流在經(jīng)過波瓣混合器后，其溫度逐漸上升。這說(shuō)明，隨著氣流的流動(dòng)，內(nèi)外涵氣流有了較好的摻混，溫度分布變得越來(lái)越均勻。

圖6 加力燃燒室各表面溫度分布

圖7 中心截面溫度分布

圖8給出了該型加力燃燒室在工況1下不同截面的溫度分布云圖，可以看出，在最靠進(jìn)波瓣尾緣出口的截面1處，能清晰地看出波瓣的輪廓結(jié)構(gòu)。從截面1到截面4，沿著氣流流動(dòng)方向，不同截面上的最低溫度已由424.19K逐漸升高到761.04K，這主要是因?yàn)椴ò昊旌掀鞯膿交熳饔?，加?qiáng)了內(nèi)、外涵氣流的混合，使得不同截面上的最低溫度逐漸升高。另外從圖中也能看出，截面4為加力燃燒室出口附近，該處的溫度分布已經(jīng)較為均勻，同一截面的溫差值最小。

圖8 不同截面的溫度分布

為了衡量沿氣體流動(dòng)方向上溫度分布的不均勻程度，定義不均勻度ε為同一截面上最高溫度減去最低溫度的差值與最高溫度的比值，表達(dá)式為：

ε=(Tmax-Tmin)/Tmax

圖9給出了加力燃燒室不同截面上的溫度不均勻度，從圖中可以看出，進(jìn)口處的溫度不均勻度最高為0.578，出口處的不均勻度最低為0.245。在加力燃燒室中，溫度不均勻度呈現(xiàn)出先大后小的變化。在內(nèi)外涵氣流混合初期，溫度不均勻度較大，但經(jīng)過波瓣形混合器的摻混作用后，同一截面上的溫差迅速減小，氣流在經(jīng)過環(huán)形穩(wěn)定器時(shí)，溫度不均勻度已經(jīng)降低至0.3附近，這說(shuō)明氣流在加力燃燒室內(nèi)得到了充分的混合。

圖9 不同截面的溫度不均勻度

3.2 加力燃燒室速度場(chǎng)

圖10給出了沿流程方向上的氣體速度云圖，由圖可以看出，沿著流路存在2個(gè)主要的低速區(qū)，第1個(gè)低速區(qū)出現(xiàn)在中心錐突擴(kuò)區(qū)域后，第2個(gè)低速區(qū)出現(xiàn)在3圈環(huán)形穩(wěn)定器后，此處形成的中低速氣流有利于火焰的生成和傳播。同時(shí)，對(duì)比不同垂直截面的速度云圖，可以清楚地看到，內(nèi)部流場(chǎng)的流速在不斷降低，且越靠近出口，中心區(qū)和邊緣區(qū)的速度分布越趨于一致。

圖10 各截面的速度云圖

3.3 加力燃燒室壓力分布

圖11給出了加力燃燒室各表面的靜壓分布。從圖中可以看出，在中心錐處，由于流道的收縮使得其表面壓力上升；在環(huán)形穩(wěn)定器前方，因阻塞了氣流流動(dòng)而出現(xiàn)了高壓區(qū)域，在環(huán)形穩(wěn)定器的后方形成低壓區(qū)。高壓區(qū)和低壓區(qū)的相互抽吸，在環(huán)形穩(wěn)定器附近形成了回流區(qū)，這為火焰產(chǎn)生、穩(wěn)定和傳播創(chuàng)造了條件。

圖11 加力燃燒室各表面的靜壓分布

圖12給出了該型加力燃燒室內(nèi)部不同截面的總壓分布，從圖中可以看出，沿著氣流流動(dòng)方向，3個(gè)垂直軸心截面上的壓力分布逐漸變得均勻，這說(shuō)明氣流在流動(dòng)過程中得到了很好的摻混。中心截面上展示了沿流程方向上的壓力分布，可以看到，在環(huán)形穩(wěn)定器后，形成了明顯的低壓區(qū)域，這有利于火焰的生成與傳播。

圖12 各截面的總壓分布

定義總壓恢復(fù)系數(shù)σ為衡量氣體在加力燃燒室內(nèi)流通損失的參數(shù)，計(jì)算公式為：總壓恢復(fù)系數(shù)=給定截面平均總壓/進(jìn)氣截面的平均總壓。

圖13給出了總壓恢復(fù)系數(shù)σ沿氣體流動(dòng)方向的變化規(guī)律。從圖中可以看出，該加力燃燒室在冷態(tài)工況時(shí)，其總壓恢復(fù)系數(shù)高達(dá)0.975，具有較低的冷態(tài)流阻。在流過波瓣形混合器及環(huán)形穩(wěn)定器時(shí)，總壓恢復(fù)系數(shù)產(chǎn)生了一定程度的下降。由于環(huán)形穩(wěn)定器在氣流流動(dòng)方向上較波瓣形混合器更短，且其形狀更加復(fù)雜，因此其總壓恢復(fù)系數(shù)的下降速度更快一些。

圖13 各截面的總壓恢復(fù)系數(shù)

4 結(jié) 論

本文開展了波瓣形混合器加力燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，獲得了不同截面的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及壓力分布等，總結(jié)了其內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律。具體如下：

(1)波瓣形混合器對(duì)內(nèi)外涵氣流具有良好的摻混效果，混合后的氣流溫度變得均勻。對(duì)比進(jìn)口參數(shù)，出口處的溫度分布變得趨于一致。

(2)在3圈環(huán)形穩(wěn)定器后，存在較為明顯的低速區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)油氣充分混合，且較低的氣流速度有利于火焰的產(chǎn)生和傳播。

(3)冷態(tài)工況時(shí)，該型加力燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù)較高，在波瓣形混合器及環(huán)形穩(wěn)定器后總壓恢復(fù)系數(shù)出現(xiàn)明顯的下降。

本研究開展的數(shù)值模擬明確了波瓣形混合器加力燃燒室的冷態(tài)流場(chǎng)特性，后續(xù)對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)，可用于加力接通狀態(tài)的研究。