導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三通道進(jìn)氣TVC性能影響

姚 婷，劉景源

(南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063)

0 引言

駐渦燃燒室(trapped vortex combuster, TVC)憑借其高效的燃燒組織方式，簡(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)外形，優(yōu)異的燃燒性能，成為極具應(yīng)用前景的新概念燃燒室[1-3]。按照結(jié)構(gòu)形式劃分，一種是由美國(guó)Ramgen公司提出的鈍體駐渦燃燒室，依靠雙鈍體形成駐渦；另一種是壁面駐渦燃燒室，依靠壁面凹腔形成駐渦。

Agarwal等[4]將導(dǎo)流片技術(shù)應(yīng)用于壁面駐渦燃燒室中，相比較普通駐渦燃燒室，燃燒效率提高。導(dǎo)流片的引入，不僅有利于形成雙渦結(jié)構(gòu)，其分流作用增強(qiáng)了凹腔與來(lái)流的熱質(zhì)交換，有利于燃燒效率的提升。曾卓雄等[5]對(duì)帶導(dǎo)流片的駐渦燃燒室的進(jìn)氣參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示當(dāng)量比增大使得鈍體回流區(qū)減小；韓吉昂等[6]發(fā)現(xiàn)凹腔噴射可以形成穩(wěn)定雙渦結(jié)構(gòu)，降低總壓損失系數(shù)；王志凱、俞駿等[7-8]對(duì)雙通道駐渦燃燒室中導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)合適的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)低壓降、低污染、高效率的燃燒室。與雙通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)TVC相比，三通道TVC的進(jìn)口中間通道將其內(nèi)回流區(qū)分成兩個(gè)通道，避免了局部高溫，氮氧化物排放降低，燃燒效率顯著提升[4，9]，但整體燃燒效率較低，為進(jìn)一步提升燃燒效率，并考慮到燃燒室壁面受高溫燃?xì)饧盁彷椛溆绊懀蔀榘l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部易損壞的部件，將上下通道通入冷空氣來(lái)降低壁面溫度，由此提出將導(dǎo)流片引入三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室，研究導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒室性能的影響。

1 數(shù)值模擬模型及研究方案

1.1 幾何模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

帶導(dǎo)流片的三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖1所示。燃燒室總體長(zhǎng)度400 mm，內(nèi)徑600 mm，外徑800 mm；上下兩側(cè)進(jìn)氣通道徑向高度相等，均為10 mm，中間通道徑向高度20 mm；前鈍體軸向長(zhǎng)度40 mm，徑向高度30 mm，后鈍體幾何尺寸10 mm×21 mm，前后鈍體之間距離18 mm，前后兩對(duì)鈍體及導(dǎo)流片均關(guān)于中心通道對(duì)稱(chēng)，用于分流及導(dǎo)流的導(dǎo)流片存在一定厚度，其厚度大對(duì)流體起阻礙作用，因此厚度越小越好。不失一般性導(dǎo)流片的厚度取為零。選擇導(dǎo)流片與中間通道前鈍體端面的徑向距離a、導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度b以及導(dǎo)流片距離前鈍體后端面的距離c等3個(gè)參數(shù)作為研究的TVC結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 帶導(dǎo)流片的三通道進(jìn)氣TVC結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.2 邊界條件及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

數(shù)值模擬采用甲烷-空氣預(yù)混合的渦耗散化學(xué)反應(yīng)模型，化學(xué)當(dāng)量比取0.7，入口流速60 m/s、溫度300 K，出口1個(gè)大氣壓強(qiáng)；中間通道混合氣的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.036 23，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.207 02。

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，圖2及圖3給出了網(wǎng)格數(shù)為5萬(wàn)、10萬(wàn)和20萬(wàn)時(shí)的燃燒室出口徑向溫度分布及徑向總壓分布，可見(jiàn)在選取的網(wǎng)格數(shù)范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果均與網(wǎng)格無(wú)關(guān)。因此，數(shù)值模擬選用5萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算及分析。

圖2 取不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)出口徑向溫度

圖3 取不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)出口徑向總壓

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為驗(yàn)證中間通道加入導(dǎo)流片對(duì)燃燒室性能優(yōu)化的可行性，對(duì)比加入導(dǎo)流片前后三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布及溫度分布，如圖4、圖5所示。圖4中間通道的燃料由進(jìn)口到出口的流動(dòng)過(guò)程中逐漸減少；未放置導(dǎo)流片時(shí)，中間通道未燃甲烷流量較大，這是因?yàn)槿肟诹魉佥^高，燃料在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間較短而無(wú)法完全燃燒；中間通道加入導(dǎo)流片后，中間通道甲烷完全燃燒，兩導(dǎo)流片的分流作用將中間流道的一股混合氣分為三股燃燒，增強(qiáng)了中間通道混合氣與上下兩側(cè)通道空氣的摻混，并為點(diǎn)火穩(wěn)焰提供了遮擋。圖5給出了燃燒室在放置導(dǎo)流片前后的溫度分布，無(wú)導(dǎo)流片時(shí)，燃燒室整體溫度較低，燃燒效率不高；導(dǎo)流片的分流及導(dǎo)流作用，使得燃料完全燃燒放熱，燃燒室內(nèi)溫度大大升高。

圖4 有、無(wú)導(dǎo)流片時(shí)燃燒室甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖5 有、無(wú)導(dǎo)流片時(shí)燃燒室溫度分布

帶導(dǎo)流片的三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室可顯著提升燃燒室性能，因此，需要研究導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)燃燒室性能的影響規(guī)律。

以燃燒效率、總壓損失系數(shù)作為衡量燃燒室性能的指標(biāo)，研究a，b，c等3個(gè)參數(shù)對(duì)燃燒室性能的影響，設(shè)中間通道徑向高度為2E;前鈍體徑向高度為H；前后鈍體距離為L(zhǎng)。導(dǎo)流片幾何參數(shù)a主要影響導(dǎo)流片分流作用的強(qiáng)弱，當(dāng)a/E<0.1時(shí)，導(dǎo)流片幾乎沒(méi)有分流作用，燃燒效率較低；當(dāng)a/E>0.9時(shí)，中間通道的兩個(gè)導(dǎo)流片幾乎靠在一起，進(jìn)入凹腔的流量增加，導(dǎo)流片的阻礙作用明顯，總壓損失很大。參數(shù)b影響其導(dǎo)流作用，當(dāng)b/H<0.1時(shí)，導(dǎo)流片縱向長(zhǎng)度太小，經(jīng)導(dǎo)流片流入凹腔的混合氣很難在凹腔內(nèi)充分發(fā)展為旋渦；當(dāng)b/H>0.6時(shí)，雖然導(dǎo)流片縱向長(zhǎng)度很大，但駐渦大小不會(huì)有很大改變。c影響低速區(qū)的大小，當(dāng)c/L<0.1時(shí)，低速區(qū)面積很大，總壓損失很大；當(dāng)c/L>0.5時(shí),導(dǎo)流片與后鈍體距離小，駐渦無(wú)法充分發(fā)展。綜上分析，導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1所示。

表1 導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 a/E對(duì)燃燒室性能的影響

2.1.1a/E對(duì)燃燒效率的影響

a對(duì)燃燒室燃燒效率η的影響如圖6所示，a/E增大，η提高，a/E由0.1變?yōu)?.4時(shí)，η增幅較大；在a/E>0.4時(shí)，η接近100%。a/E的增大使得導(dǎo)流片的分流作用越來(lái)越明顯，更多的混合氣通過(guò)導(dǎo)流片流入凹腔，因此，燃燒效率得到顯著提高。文獻(xiàn)[8]中得到帶導(dǎo)流片的駐渦燃燒室燃燒效率達(dá)到97.97%。燃燒效率作為燃燒室性能的重要指標(biāo)，燃燒效率越高，燃料的利用率越高，因此a/E要盡可能大于0.4。

圖6 不同a/E對(duì)燃燒室燃燒效率的影響

2.1.2 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

圖7為不同a/E時(shí)對(duì)應(yīng)的凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)，由于a/E<0.4時(shí)，不滿(mǎn)足燃燒室性能的要求，因此以下分析均以a/E>0.4時(shí)進(jìn)行。a/E由0.5向0.9變化時(shí)，凹腔內(nèi)均能產(chǎn)生雙渦結(jié)構(gòu)，發(fā)揮點(diǎn)火作用的大旋渦面積隨著a/E的增大而增大，提供了更加充分的點(diǎn)火源。這也是燃燒效率得到提升的原因。前鈍體后方形成的駐渦幾乎不受a/E變化的影響，前鈍體后端面粘性力的作用使燃燒室性能存在一定的損失，并形成低速駐渦區(qū)。但粘性力對(duì)前鈍體后方的渦作用有限，所以前鈍體后方的渦大小基本不變。隨著a/E的增大，前鈍體與導(dǎo)流片之間的流速越來(lái)越大，流動(dòng)速度的增加有利于燃?xì)鈸交?，增?qiáng)主流與凹腔內(nèi)部的熱質(zhì)交換，提高燃燒效率。隨著a/E的增大，低速區(qū)的面積逐漸增大，從而在一定程度上造成了總壓損失的增加。

圖7 不同a/E時(shí)凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

2.1.3a/E對(duì)總壓損失系數(shù)的影響

圖8給出了不同a/E對(duì)燃燒室的總壓損失系數(shù)σ的影響：a/E增大，σ增幅也越來(lái)越大。凹腔內(nèi)發(fā)揮點(diǎn)火作用的大渦隨著a/E的增大逐漸增大，總壓損失系數(shù)增加。在a/E=0.5時(shí)，σ取得最小值3.212 2%；在a/E=0.9時(shí)，σ達(dá)到9.230 5%。

圖8 不同a/E對(duì)燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響

綜上所述，a/E取0.5～0.9時(shí)，帶導(dǎo)流片的三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室均能形成理想的雙旋渦結(jié)構(gòu)，η也均可以達(dá)到99%以上，但是σ的變化很大?？倝簱p失系數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力的降低，并且每降低1%的總壓損失系數(shù)，單位燃油消耗率就會(huì)降低1%[7]。從提升燃燒室性能以及減少燃料浪費(fèi)角度，a/E取燃燒效率較高，總壓損失系數(shù)最低比較合適，即a/E=0.5，此時(shí)η=99.6084%，σ=3.2122%。

2.2 b/H對(duì)燃燒室性能的影響

2.2.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

不同b/H對(duì)應(yīng)的凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)如圖9，凹腔內(nèi)均能形成雙渦結(jié)構(gòu)；隨著導(dǎo)流片伸入凹腔長(zhǎng)度的增加，前鈍體后端面處低速區(qū)越來(lái)越小，壁面處形成的駐渦越來(lái)越小，凹腔內(nèi)的駐渦逐漸增大；凹腔內(nèi)的小渦主要是加強(qiáng)主流與凹腔內(nèi)熱質(zhì)摻混，并且隔離大渦與主流，隨著b/H的增大，小渦大小基本一致，發(fā)揮穩(wěn)定點(diǎn)火源作用的大渦逐漸增大。

圖9 不同b/H時(shí)凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

b/H=0.1時(shí)，導(dǎo)流片伸入凹腔長(zhǎng)度極小，遠(yuǎn)低于凹腔中線(xiàn)高度，由導(dǎo)流片進(jìn)入凹腔的流體動(dòng)量較小，流體轉(zhuǎn)向位置即導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度，這就造成凹腔內(nèi)的低速流動(dòng)區(qū)很小，旋渦無(wú)法充分發(fā)展，因此凹腔駐渦很??；由導(dǎo)流片進(jìn)入凹腔內(nèi)動(dòng)量較小的流體流經(jīng)前鈍體后端面時(shí)，受粘性力作用，在前鈍體后端面形成較大的駐渦。隨著b/H的增大，導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度增加，遮擋能力提高，凹腔內(nèi)的低速區(qū)面積增大，旋渦得到發(fā)展，逐漸增大。

2.2.2b/H對(duì)燃燒效率的影響

圖10為b/H隨燃燒效率η變化曲線(xiàn)。從圖可知，b/H的變化對(duì)η的影響很小，η均大于99.6%。導(dǎo)流片的分流作用避免了燃?xì)饧?，使得燃燒更加充分，凹腔?nèi)駐渦使得主流與凹腔之間的熱質(zhì)交換增強(qiáng)，因此燃燒效率高。當(dāng)b/H<0.4時(shí)，大渦外側(cè)流速較高，有利于燃?xì)鈸交旒霸鰪?qiáng)凹腔與主流之間的熱質(zhì)交換。b/H從0.4變到0.6時(shí)，大渦外側(cè)流速減小，但凹腔內(nèi)駐渦較大，能增強(qiáng)凹腔與主流的熱質(zhì)交換。但凹腔駐渦受b/H變化對(duì)燃燒效率作用有限，因此隨著b/H的變化，帶導(dǎo)流片的三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室的燃燒效率變化不大。

圖10 不同b/H時(shí)燃燒室的燃燒效率

2.2.3b/H對(duì)總壓損失系數(shù)的影響

隨著b/H的增大，帶導(dǎo)流片的先進(jìn)旋渦燃燒室總壓損失系數(shù)σ逐漸減小，在b/H=0.5時(shí)，取得最小值3.202 6%;當(dāng)b/H大于0.5時(shí)，σ略微上升。根據(jù)圖9，b/H增大，前鈍體后端面的低速區(qū)面積減小，駐渦也逐漸減小，此處形成的駐渦阻塞流道使得主流流經(jīng)時(shí)損失部分能量，造成σ的增加。因此總σ隨著b/H的增大而逐漸降低，但σ的變化范圍并不大。這是因?yàn)殡m然前鈍體后端面的低速區(qū)面積減小且形成的駐渦變小，但凹腔內(nèi)的低速區(qū)面積逐漸增大且形成的駐渦也變大，兩者對(duì)總壓損失造成的影響相差不大。當(dāng)b/H=0.6時(shí)，前鈍體后端面處的低速駐渦區(qū)面積很小，與b/H=0.5時(shí)相當(dāng)，但是其凹腔內(nèi)低速駐渦區(qū)面積比b/H=0.5大，因此b/H=0.6時(shí)，σ略有回升。

綜上，b/H的變化對(duì)燃燒效率的影響很小，燃燒效率基本保持在99.6%以上；在研究范圍內(nèi)，導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度越大，其遮擋能力越高，凹腔內(nèi)形成的駐渦面積越大，更有利于形成穩(wěn)定的點(diǎn)火源；總壓損失系數(shù)隨b/H的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此，綜合各項(xiàng)性能，當(dāng)b/H=0.5時(shí)，帶導(dǎo)流片的先進(jìn)旋渦燃燒室具有較高的燃燒效率、較低的總壓損失系數(shù)，即b/H=0.5，此時(shí)燃燒效率為99.649 2%，總壓損失系數(shù)為3.202 6%。

圖11 不同b/H對(duì)燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響

2.3 c/L對(duì)燃燒室性能的影響

2.3.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

圖12給出了c/L的變化對(duì)凹腔速度分布以及旋渦結(jié)構(gòu)的影響。由圖12可得，c/L從0.1向0.4變化過(guò)程中，凹腔低速區(qū)面積明顯減小，前鈍體后端面低速區(qū)面積呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，混合氣流速減小，由于流動(dòng)阻力與流速平方近似成正比，因此流動(dòng)阻力減小，總壓損失系數(shù)降低。c/L=0.1時(shí)，凹腔內(nèi)旋渦紊亂，旋渦附近速度很大，不利于駐渦穩(wěn)定。c/L從0.2增大到0.4時(shí)，凹腔內(nèi)的小渦逐漸減小。小渦的作用在于隔離主流與凹腔內(nèi)的大渦，使點(diǎn)火源穩(wěn)定，因此小渦不宜太大。經(jīng)導(dǎo)流片流入凹腔的流體動(dòng)量及有效旋渦區(qū)面積減小，因此總壓損失系數(shù)降低。

圖12 不同c/L時(shí)凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

2.3.2c/L對(duì)燃燒效率的影響

c/L隨燃燒室燃燒效率η變化曲線(xiàn)圖如圖13所示。c/L=0.1時(shí)，η=99.9094%。但由圖12，此時(shí)低速區(qū)面積較大，旋渦對(duì)稱(chēng)性差。c/L從0.2到0.5變化時(shí)，η相差不大，均高于99.6%。由圖12知，凹腔整體速度隨著c/L增大而降低，凹腔內(nèi)部與主流熱質(zhì)交換減弱，導(dǎo)致η稍降，但總體變化很小。

圖13 不同c/L對(duì)燃燒室的燃燒效率的影響

2.3.3c/L對(duì)總壓損失系數(shù)的影響

c/L對(duì)燃燒室總壓損失系數(shù)σ的影響如圖14所示。隨著c/L的增大，σ逐漸減小。導(dǎo)流片與前鈍體后端面的距離增大，凹腔內(nèi)低速駐渦區(qū)面積減小，因此σ降低。當(dāng)c/L=0.1時(shí)，σ達(dá)到6.677 6%，遠(yuǎn)高于普通AVC的標(biāo)準(zhǔn)，因此c/L應(yīng)取較大的數(shù)值。

圖14 不同c/L時(shí)燃燒室的總壓損失系數(shù)

綜上分析，在研究范圍內(nèi)，c/L對(duì)總壓損失系數(shù)σ有一定影響，對(duì)燃燒效率η的影響很小。從優(yōu)化燃燒室性能角度，應(yīng)選擇η高而σ小的結(jié)構(gòu)，即c/L=0.5，此時(shí)η=99.6698%，σ=3.1268%。

3 結(jié)論

對(duì)不同導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)下的三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬及理論分析，結(jié)論如下：

1)帶導(dǎo)流片的三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室的凹腔內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的雙駐渦結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了凹腔與主流之間的熱質(zhì)交換，穩(wěn)定了凹腔點(diǎn)火源，提升了燃燒效率。

2)隨a/E的增大，燃燒效率先明顯提高，而后基本保持不變，a/E>0.4時(shí)，燃燒效率幾乎達(dá)100%；總壓損失系數(shù)隨a/E增大而增加。

3)燃燒效率隨b/H的增大雖略有上升，但變化很小，均大于99.6%；總壓損失系數(shù)先下降而后略微上升，但總體變化很小。

4)隨c/L的增大，總壓損失系數(shù)降低，燃燒效率先下降后緩慢上升，但變化不大。

5)在選定的研究參數(shù)范圍內(nèi)，導(dǎo)流片最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為a/E=0.5，b/H=0.5，c/L=0.5，此時(shí)燃燒效率為99.669 8%，總壓損失系數(shù)為3.126 8%。