導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)四通道環(huán)形進(jìn)氣先進(jìn)旋渦燃燒室性能影響

張長(zhǎng)天，劉景源

（南昌航空大學(xué)江西省微小航空發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063）

0 引 言

中心鈍體駐渦的先進(jìn)旋渦燃燒室（Advanced Vortex Combustor，簡(jiǎn)稱AVC）相對(duì)于常規(guī)旋流燃燒室具有駐渦穩(wěn)定、燃燒效率高、總壓損失小及污染物排放少等優(yōu)勢(shì)。AVC原理是在主流通道上前后布置兩個(gè)鈍體，氣流流過前、后鈍體時(shí)，在流動(dòng)黏性剪切及逆壓梯度的作用下，在兩鈍體的凹腔內(nèi)形成穩(wěn)定的雙渦旋。由于AVC在凹腔內(nèi)形成渦對(duì)，不易受主流燃?xì)饬鲃?dòng)特性的影響，因此AVC具有較強(qiáng)的火焰穩(wěn)定性。

按照與主流流動(dòng)垂直的方向上布置的鈍體個(gè)數(shù)，AVC可分為雙通道、三通道及四通道進(jìn)氣先進(jìn)旋渦燃燒室。

在雙通道AVC研究中，T.R.Meyer等指出凹腔雙旋渦結(jié)構(gòu)最有利于駐渦燃燒室綜合性能的發(fā)揮；P.K.E.Kumar等通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了二維駐渦燃燒室的火焰穩(wěn)定性，研究表明對(duì)于特定的噴射方式，為了維持雷諾數(shù)和當(dāng)量比不變，燃料流量應(yīng)隨著來流空氣流量增加而增加以維持凹腔火焰，軸對(duì)稱駐渦燃燒室的動(dòng)量通量比對(duì)燃燒室腔內(nèi)的流動(dòng)和火焰結(jié)構(gòu)的改變起著重要作用；鄧洋波等應(yīng)用三維數(shù)值模擬，研究了橫截面為矩形的雙通道AVC的流動(dòng)與燃燒特性；韓吉昂等應(yīng)用數(shù)值模擬及理論分析，研究了雙通道AVC冷態(tài)流場(chǎng)駐渦腔有無噴射對(duì)渦系結(jié)構(gòu)、駐渦腔流動(dòng)參數(shù)及AVC性能的影響，結(jié)果表明，有噴射時(shí)，駐渦腔能夠形成穩(wěn)定雙渦結(jié)構(gòu)，降低總壓損失系數(shù)；曾卓雄等基于場(chǎng)協(xié)同理論，數(shù)值分析了后鈍體開口的矩形橫截面AVC的湍流流場(chǎng)的傳熱強(qiáng)化問題；K.K.Agarwal等將導(dǎo)流片與駐渦燃燒室相結(jié)合，部分主流經(jīng)導(dǎo)流流入凹腔，能形成穩(wěn)定的雙渦結(jié)構(gòu)，其性能優(yōu)于無導(dǎo)流葉片的AVC；王志凱等發(fā)現(xiàn)雙通道矩形AVC引入導(dǎo)流片后，有利于增強(qiáng)凹腔穩(wěn)焰及燃?xì)鈸交欤纳屏顺隹跍囟确植?，降低了NO排放；俞駿等研究了帶導(dǎo)流片的環(huán)形AVC，得到了燃燒室性能最佳時(shí)的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)；Zeng Z X等分別研究了橫截面為矩形的帶導(dǎo)流片及渦流發(fā)生器的雙通道AVC的流動(dòng)、燃燒特性及燃燒室性能，給出并分析了燃燒室性能最優(yōu)的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)形式及渦流發(fā)生器噴射角度。無論是雙通道AVC的預(yù)混或非預(yù)混燃燒，上述研究均未考慮燃燒室壁面冷卻問題。

在三通道AVC研究中，俞駿等對(duì)三通道的AVC進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)三通道AVC與雙通道AVC相比，性能提升明顯；姚婷等基于正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)帶中心楔體的三通道AVC進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化分析，得到了AVC性能最優(yōu)下的燃燒室?guī)缀螛?gòu)型參數(shù)。三通道燃燒室通過兩側(cè)通道進(jìn)入冷空氣，中間通道噴入混氣燃燒，從而考慮了燃燒室壁面冷卻。

四通道AVC除了有三通道的優(yōu)點(diǎn)外，還可以通過在中間兩個(gè)通道的一個(gè)通道通入空氣或者預(yù)混氣體，在一定程度上，可起到貧油燃燒下的值班火焰的作用（原因是環(huán)形燃燒室中，靠近機(jī)匣的中間通道橫截面積大，貧油燃燒時(shí)，可通入空氣，而靠近燃燒室中心的中間通道通入預(yù)混氣體，由于其進(jìn)氣面積較小，貧油燃燒時(shí)，充當(dāng)值班火焰的作用）。

在四通道AVC研究中，王玉龍對(duì)四通道AVC的冷態(tài)流動(dòng)特性展開研究，從總壓損失特性、速度分布、壓力分布以及旋渦結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，確定了最優(yōu)的AVC幾何結(jié)構(gòu)；鄧洋波等則對(duì)橫截面為矩形的四通道AVC冷態(tài)流場(chǎng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究及理論分析。

但上述對(duì)四通道AVC的研究并未考慮燃燒室燃料燃燒釋熱對(duì)其流動(dòng)結(jié)構(gòu)、性能特性的影響；另外單獨(dú)的多個(gè)通道AVC對(duì)預(yù)混氣體無法滿足燃燒效率的要求，而文獻(xiàn)［11-13，20］引入導(dǎo)流片后，燃燒室燃燒性能大幅度提升，其中文獻(xiàn)［11，13］為雙通道矩形燃燒室，而絕大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室均為環(huán)形；文獻(xiàn)［12］燃燒室雖然是環(huán)形的，但是為雙通道的燃燒室；而文獻(xiàn)［20］的燃燒室為單通道矩形截面。

本文對(duì)帶導(dǎo)流片的四通道環(huán)形進(jìn)氣AVC進(jìn)行數(shù)值模擬，分析導(dǎo)流片與中間通道前鈍體端面的徑向距離、導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度以及導(dǎo)流片距離前鈍體后端面的距離變化對(duì)凹腔速度分布、旋渦結(jié)構(gòu)，以及燃燒室性能的影響。

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)流片的四通道環(huán)形進(jìn)氣先進(jìn)旋渦燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示。燃燒室軸向長(zhǎng)度

S

=400 mm，內(nèi)徑700 mm，外徑900 mm。上下兩側(cè)進(jìn)氣通道徑向高度均為8 mm，中間兩個(gè)進(jìn)氣通道徑向高度相等，均為

E

=12 mm；燃燒室內(nèi)按三前三后對(duì)稱排列了六個(gè)鈍體，其中前鈍體軸向長(zhǎng)度40 mm，徑向高度

H

=20 mm，后鈍體幾何尺寸10 mm×16 mm，前后鈍體之間距離

L

=14 mm，燃燒室母線關(guān)于中間鈍體上下對(duì)稱。另外，盡管導(dǎo)流片存在一定的厚度，但其厚度越大與流動(dòng)相互作用的損失也越大，因此要求其厚度越小越好，不失一般性導(dǎo)流片的厚度可取為0。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，

3個(gè)參數(shù)作為研究的AVC性能的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)（如圖1（b）所示）。

圖1 帶導(dǎo)流片的四通道AVC幾何結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)Fig.1 Geometry and parameters of a four-duct AVC with flow guide vanes

1.2 邊界條件及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

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，由于燃燒室的軸對(duì)稱性，數(shù)值計(jì)算中采用二維軸對(duì)稱控制方程對(duì)AVC流場(chǎng)進(jìn)行求解。AVC入口流速均為60 m/s、溫度均為300 K；出口設(shè)定1個(gè)大氣壓強(qiáng)；壁面邊界采用絕熱壁；燃燒室上下兩側(cè)通道通入空氣，而中間兩通道通入的混合氣體中甲烷、氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別0.036 23、0.207 02。

為驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，分別給出網(wǎng)格數(shù)為9萬、12萬和15萬時(shí)的燃燒室出口徑向溫度及徑向總壓分布，如圖2~圖3所示，可以看出：計(jì)算結(jié)果均與網(wǎng)格無關(guān)。因此，考慮計(jì)算效率，本文以下選用9萬網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬及分析。

圖2 出口徑向溫度分布Fig.2 Temperature distribution along the radial direction at the outlet

圖3 出口徑向總壓分布Fig.3 Total pressure distribution along the radial direction at the outlet

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證在四通道環(huán)形進(jìn)氣AVC中間的雙通道引入導(dǎo)流片后對(duì)提升其性能的可行性，對(duì)比有無導(dǎo)流片的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布及溫度分布，分別如圖4~圖5所示。從圖4可以看出：有無導(dǎo)流片時(shí)，中間雙通道的甲烷沿著流動(dòng)方向上均逐漸減少，但未引入導(dǎo)流片時(shí)，中間通道未燃甲烷較多，由于入口較高流速混氣，在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間較短而無法點(diǎn)火及燃燒；引入導(dǎo)流片后，導(dǎo)流片將中間通道混合氣的一部分引入了上下凹腔內(nèi)的低速高溫區(qū)，增強(qiáng)了中間通道混合氣與上下兩側(cè)通道空氣的摻混燃燒，因此甲烷燃燒的更加充分。從圖5可以看出：未引入導(dǎo)流片時(shí)，燃燒室內(nèi)只有中間凹腔，其后方溫度較高，因此燃燒效率不高；加入導(dǎo)流片后，一方面導(dǎo)流片把主流氣體導(dǎo)入低速高溫的凹腔內(nèi)，便于未燃?xì)怏w的點(diǎn)火燃燒，另一方面，后方的駐渦使得主流與凹腔之間的熱質(zhì)交換增強(qiáng)，上下凹腔及其后方溫度明顯升高，因此燃燒效率高。

圖4 有、無導(dǎo)流片時(shí)燃燒室甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Mass fraction distribution of CH 4 in the AVC with and without flow guide vanes

圖5 有、無導(dǎo)流片時(shí)燃燒室溫度分布Fig.5 Temperature distribution of combustor

綜上，導(dǎo)流片的引入對(duì)四通道環(huán)形AVC的燃燒性能提升明顯。因此，需要進(jìn)一步深入研究導(dǎo)流片位置及幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒室性能的影響。

選取如圖1（b）所示的導(dǎo)流片參數(shù)

a

、

b

、

c

，研究其對(duì)四通道AVC性能的影響。參數(shù)

a

是導(dǎo)流片與中間通道前鈍體端面的徑向距離，直接決定著由導(dǎo)流片導(dǎo)入凹腔的流量大小，當(dāng)

a

/

E

<0.1時(shí)，經(jīng)導(dǎo)流片導(dǎo)入凹腔的混合氣較小，對(duì)燃燒效率的提升不明顯；當(dāng)

a

/

E

>0.9時(shí)，導(dǎo)流片導(dǎo)入凹腔過大，并且對(duì)流動(dòng)阻礙過大，造成AVC總壓損失增大。參數(shù)

b

是導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度，其大小決定著導(dǎo)流片后方駐渦的高度，

b

/

H<

0.1時(shí)，導(dǎo)流片伸入上下兩側(cè)凹腔的長(zhǎng)度較短，其背風(fēng)區(qū)較小，因此導(dǎo)流片引入凹腔的流量很難在凹腔內(nèi)形成穩(wěn)定的駐渦；

b

/

H>

0.6時(shí)，導(dǎo)流片縱向長(zhǎng)度過大，對(duì)流動(dòng)的阻礙作用增大。參數(shù)

c

決定導(dǎo)流片與前鈍體后端面之間流動(dòng)通道的寬度，并影響著導(dǎo)流片后駐渦的特性，

c

/

L

<0.1時(shí)，凹腔內(nèi)速度分布均勻性變差，燃燒效率較高的同時(shí)總壓損失也較大；

c

/

L

>0.5時(shí)，導(dǎo)流片與后鈍體前端面距離過小，導(dǎo)流片后方駐渦過小，不利于火焰穩(wěn)定。本文分別研究

a/E

、

b

/

H

和

c/L

對(duì)AVC性能的影響，導(dǎo)流片幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍如表1所示。

表1 導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of flow guide vanes

2.1 a/E對(duì)燃燒室性能的影響

在研究

a/E

取值對(duì)AVC性能影響時(shí)，參考了文獻(xiàn)［8-9］中導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值，并基于理論分析及先期計(jì)算，確定

b

/

H

、

c

/

L

的取值。先期計(jì)算及分析表明

b

/

H

取值過小時(shí)，由于導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度較短，凹腔內(nèi)駐渦的穩(wěn)定性變?nèi)酰?p>b

/

H

過大時(shí)，流阻較大；

c

/

L

取值較小時(shí)，凹腔內(nèi)速度分布不均勻性變大，從而損失較大，而

c

/

L

較大時(shí)壓縮了導(dǎo)流片后端面駐渦的軸向?qū)挾龋瑴p弱了駐渦穩(wěn)定性。因此，取

b

/

H

=0.5、

c

/

L

=0.4，研究

a/E

取值對(duì)AVC性能影響。

2.1.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)分布

不同

a

/

E

時(shí)AVC內(nèi)凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，可以看出：

a

/

E

逐漸增大時(shí)，一方面AVC內(nèi)速度分布不均勻性更劇烈，導(dǎo)流片后渦變大，中間鈍體內(nèi)渦變化較大，速度分布較為不均勻；另一方面，中間鈍體后及導(dǎo)流片后方均能形成穩(wěn)定的雙渦對(duì)結(jié)構(gòu)。中間鈍體后形成的穩(wěn)定駐渦有利于與主流氣體進(jìn)行熱量及熱質(zhì)交換，也有利于火焰穩(wěn)定；導(dǎo)流片后方的小渦為副渦，其作用是加強(qiáng)主流和凹腔內(nèi)熱流的摻混，增強(qiáng)了熱質(zhì)及熱量傳遞，提高燃燒效率；大渦為主渦，其隨

a

/

E

的增大而增大，提供更加充分的點(diǎn)火源。當(dāng)

a

/

E

變大時(shí)，經(jīng)導(dǎo)流片分流及導(dǎo)流，凹腔的流量不斷增大，一方面，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；另一方面，上下兩邊前鈍體后端面與導(dǎo)流片的距離不變，因此流速快速增加，導(dǎo)致流場(chǎng)速度分布極不均勻。

a

/

E

的增大，低速區(qū)的面積逐漸增大，主流流速迅速增加，流場(chǎng)速度分布變得極不均勻，從而使得總壓損失系數(shù)增加。

圖6 不同a/E時(shí)凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)Fig.6 Velocity contours and vortex structure of cavity with different a/E

另外，在最上方及最下方的前鈍體后端面黏性力的作用下，其后方形成兩對(duì)小的駐渦，使燃燒室性能存在一定的損失。

2.1.2

a

/

E

對(duì)燃燒效率的影響不同

a

/

E

對(duì)燃燒室燃燒效率的影響如圖7所示，從圖7可以看出：隨著

a

/

E

增大，燃燒效率先迅速升高，而后趨于基本不變。當(dāng)

a

/

E

由0.1增長(zhǎng)到0.3時(shí)，燃燒效率從76%增加到了96%以上，增幅明顯；在

a

/

E

=0.4時(shí)，

η

接近100%。隨著

a

/

E

的增大，通過導(dǎo)流片導(dǎo)入上下凹腔內(nèi)低速區(qū)的混合氣流量增大，因此燃燒效率增大。另外，燃燒室上下凹腔內(nèi)形成了穩(wěn)定的雙渦結(jié)構(gòu)，其中主渦作為燃燒室的固定點(diǎn)火源，隨著

a

/

E

的增大而增大，起穩(wěn)定燃燒的作用，副渦吸卷未燃混氣，增強(qiáng)了摻混，使燃燒更加充分。因此，基于燃燒效率角度，

a

/

E

取值不能小于0.3。

圖7 不同a/E對(duì)燃燒室燃燒效率的影響Fig.7 Effect of different a/E on combustion efficiency of combustor

2.1.3

a

/

E

對(duì)總壓損失系數(shù)的影響不同

a

/

E

對(duì)燃燒室總壓損失系數(shù)

σ

的影響如圖8所示，可以看出：隨著

a

/

E

的增大，

σ

呈非線性增長(zhǎng)。由圖6及對(duì)其的分析可知，隨著

a

/

E

增大，AVC內(nèi)速度分布不均勻性急劇增加；混氣的流動(dòng)阻力增大，總壓損失系數(shù)增加。另外，進(jìn)入凹腔的通道變寬，導(dǎo)流片對(duì)混合氣的阻力增大，因此總壓損失系數(shù)也增大。在

a

/

E

=0.1時(shí)，

σ

取得最小值2.156%；在

a

/

E

=0.9時(shí)，

σ

達(dá)到最大15.830%。

圖8 不同a/E對(duì)燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響Fig.8 Effect of different a/E on total pressure loss coefficient of combustor

a

/

E

取0.3~0.7時(shí)，帶導(dǎo)流片的四通道環(huán)形AVC均能形成理想的雙旋渦結(jié)構(gòu)，

η

可以達(dá)到96%以上，

σ

隨著

a

/

E

的增大急劇變大。總壓損失系數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，通過加入導(dǎo)流片可以大幅提高燃燒效率，同時(shí)總壓損失系數(shù)可以保證在適宜的范圍。綜合考慮，當(dāng)

a/E

=0.3時(shí)，燃燒效率較高，

η

=96.320%，而總壓損失較小，

σ

=2.930%。

2.2 b/H對(duì)燃燒室性能的影響

基于2.1節(jié)

a/E

取值范圍內(nèi)燃燒室性能的分析研究結(jié)論，在研究

b/H

對(duì)燃燒室性能影響時(shí)，取

a/E

=0.3；同時(shí)根據(jù)2.1節(jié)

b/H

及

c

/

L

取值的分析結(jié)果，取

c

/

L

=0.4。

2.2.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)分布

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所示，可以看出：上下凹腔內(nèi)均能形成雙渦結(jié)構(gòu)。當(dāng)

b

/

H

=0.1時(shí)，導(dǎo)流片伸入凹腔長(zhǎng)度低于凹腔中線高度，由導(dǎo)流片進(jìn)入凹腔的流體在前鈍體后壁面分離，在逆壓梯度及流體黏性剪切力的作用下，一方面在上下兩側(cè)的前鈍體后端面形成較大的駐渦，另一方面在導(dǎo)流片后端面形成較小的雙渦結(jié)構(gòu)。隨著

b

/

H

的增大，導(dǎo)流片伸入凹腔的長(zhǎng)度增加，流場(chǎng)高速區(qū)上移，擠壓了前鈍體后端面的低速區(qū)，其駐渦面積越來越?。粚?dǎo)流片后方的低速區(qū)面積增大，旋渦也變大。另外，凹腔內(nèi)的副渦大小基本一致，發(fā)揮穩(wěn)定點(diǎn)火源作用的主渦逐漸增大。

圖9 不同b/H時(shí)凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)Fig.9 Velocity contours and vortex structure at different b/H

2.2.2

b

/

H

對(duì)燃燒效率的影響

b

/

H

隨AVC燃燒效率的變化曲線如圖10所示，可以看出：

b

/

H

<0.5時(shí)，

η

均大于97.5%。結(jié)合圖9，由于前鈍體后端面駐渦面積較大，與主流流動(dòng)有較強(qiáng)的相互作用，并且其與上下流道的接觸面積大，因此燃燒效率高。當(dāng)

b

/

H

從0.1向0.3變化時(shí)，導(dǎo)流片深入凹腔的長(zhǎng)度增大，流線彎曲變大，流動(dòng)能力下降，因此由導(dǎo)流片導(dǎo)入凹腔的混合氣略微減少，凹腔內(nèi)有效駐渦面積減小，燃燒效率小幅下降。當(dāng)

b

/

H

超過0.4時(shí)，導(dǎo)流片深入凹腔的距離超過了凹腔寬度的一半，前鈍體后端面低速區(qū)面積減小，靠近上下主流的駐渦消失，渦的吸卷效應(yīng)降低，凹腔的高溫區(qū)與上下主流的摻混減弱，使得燃燒效率降低顯著。

圖10 不同b/H時(shí)燃燒室的燃燒效率Fig.10 Effect of different b/H on combustion

2.2.3

b

/

H

對(duì)總壓損失系數(shù)的影響不同

b

/

H

對(duì)燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響如圖11所示。

圖11 不同b/H對(duì)燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響Fig.11 Effect of different b/H on total pressure loss coefficient of combustor

從圖11可以看出：隨著

b

/

H

的增大，帶導(dǎo)流片的四通道環(huán)形進(jìn)氣AVC總壓損失系數(shù)

σ

逐漸較小，但總體變化較小。在

b

/

H

=0.1時(shí)，

σ

為3.189%，在

b

/

H

=0.6時(shí)，

σ

為2.827%。根據(jù)圖9所示，

b

/

H

=0.1時(shí)，上下兩側(cè)前鈍體后端面處形成的駐渦較大，阻塞了流道，因此能量損失較大，

σ

亦較大。隨著

b

/

H

增大，前鈍體后端面的低速區(qū)面積減小，駐渦逐漸減小，

σ

減小。另外，雖然上下兩側(cè)前鈍體后端面的低速區(qū)面積減小且形成的駐渦變小，但導(dǎo)流片后方的低速區(qū)面積逐漸增大且形成的雙駐渦也變大，兩者對(duì)總壓損失造成的影響相互抵消了一部分，因此

σ

隨

b

/

H

的增大變化并不大。綜上，

b

/

H

的變化對(duì)

σ

的影響較小，在

b

/

H

取值范圍內(nèi)，

σ

變化小于0.4%。在研究的參數(shù)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，有利于形成穩(wěn)定的點(diǎn)火源；

σ

隨

b

/

H

的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。取

b

/

H

=0.4時(shí)，燃燒效率較高為97.938%，同時(shí)總壓損失為2.999%。

2.3 c/L對(duì)燃燒室性能的影響

根據(jù)2.1節(jié)及2.2節(jié)對(duì)

a/E

及

b

/

H

取值范圍內(nèi)燃燒室性能的分析研究結(jié)論，在研究

c/L

對(duì)燃燒室性能影響時(shí)，取

a/E

=0.3、

b

/

H

=0.4。

2.3.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)分布

c

/

L

的變化對(duì)凹腔速度分布以及旋渦結(jié)構(gòu)的影響如圖12所示。當(dāng)

c

/

L

=0.1時(shí)，導(dǎo)流片與前鈍體后端面距離較近，通道較窄，因此通道前的流體流速低，在通道內(nèi)開始加速，與凹腔內(nèi)高溫流體接觸后，溫度升高，膨脹后密度減小，流速劇增。

c

/

L

從0.1向0.3變化過程中，由于導(dǎo)流片前流動(dòng)速度較大，因此凹腔低速區(qū)面積減小。當(dāng)

c

/

L

=0.3時(shí)，上下兩邊的前鈍體后端面開始出現(xiàn)分離渦，并隨著

c/L

的增大而增大，與此同時(shí)導(dǎo)流片在凹腔的位置后移，其后面的雙渦面積呈減小趨勢(shì)，導(dǎo)流片與前鈍體后端面之間的通道變寬，流速降低，因此流動(dòng)損失減小，總壓損失系數(shù)

σ

降低。當(dāng)

c

/

L

=0.1時(shí)，副渦較大，主流與凹腔內(nèi)高溫流體間的摻混強(qiáng)，燃燒效率

η

較高。

c

/

L

從0.1增大到0.5時(shí)，凹腔內(nèi)的副渦逐漸減小，

η

有減小的趨勢(shì)。當(dāng)

c

/

L=

0.5時(shí)，由于副渦過小，隔離主流與凹腔內(nèi)的大渦、穩(wěn)定火焰的作用減弱，另外由于凹腔內(nèi)有效旋渦區(qū)面積減小，

σ

呈下降趨勢(shì)。

圖12 不同c/L時(shí)凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)Fig.12 Velocity contours and vortex structure distributions of the cavity under different c/L

2.3.2

c

/

L

對(duì)燃燒效率的影響

c

/

L

隨燃燒效率

η

變化曲線圖如圖13所示。當(dāng)

c

/

L

=0.1時(shí)，根據(jù)圖12的速度云圖，此時(shí)燃燒室內(nèi)低速區(qū)面積較大，主渦與副渦亦較大，有利于點(diǎn)火及燃燒效率的提高。雖然導(dǎo)流片與前鈍體后壁面之間的通道較窄，導(dǎo)致流入凹腔的混合氣較少，但副渦吸卷未燃燒的混氣效應(yīng)增強(qiáng)，且副渦與主流的接觸面積大，增強(qiáng)了摻混，因此燃燒效果較好。當(dāng)

c

/

L

在0.2~0.4變化時(shí)，燃燒室內(nèi)低速區(qū)面積減小，主副渦有效面積也隨之減小，副渦與主流的接觸面積下降，副渦的吸卷主流作用變小，主流與凹腔內(nèi)熱質(zhì)交換減弱，因此

η

下降，但均高于96%。

c

/

L

從0.4增大到0.5時(shí)，通過導(dǎo)流片導(dǎo)入凹腔的主流流體增多，凹腔內(nèi)有效駐渦增大，同時(shí)前鈍體后端面形成了雙渦，使得上下主流與凹腔高溫燃?xì)忾g的摻混增強(qiáng)，因此

η

略有升高。

圖13 不同c/L對(duì)燃燒室的燃燒效率的影響Fig.13 Effect of different c/L on combustion efficiency

2.3.3

c

/

L

對(duì)總壓損失系數(shù)的影響參數(shù)

c

/

L

對(duì)總壓損失系數(shù)

σ

的影響如圖14所示，可以看出：隨

c

/

L

的增大，

σ

先減小后緩慢增加。當(dāng)

c

/

L=

0.1時(shí)，低速區(qū)占據(jù)了整個(gè)凹腔，并且流速較大、流動(dòng)不均勻性增強(qiáng)，導(dǎo)致

σ

較大。

c

/

L

從0.1變化到0.2時(shí)，導(dǎo)流片與上下兩邊前鈍體后端面的距離增大，凹腔內(nèi)低速區(qū)面積顯著減小，因此

σ

降低較明顯。當(dāng)

c

/

L

從0.2變?yōu)?.4時(shí)，導(dǎo)流片后方形成的低速區(qū)面積逐漸增大，使流動(dòng)損失增加，因此

σ

降低緩慢。當(dāng)

c

/

L

從0.4變?yōu)?.5時(shí)，上下兩側(cè)前鈍體后端面的低速區(qū)面積增大，而凹腔內(nèi)駐渦變化不大，因此低速區(qū)面積增大，導(dǎo)致

σ

略有升高。當(dāng)

c

/

L

=0.4時(shí)，

σ

數(shù)值最小，為2.930%。

圖14 不同c/L時(shí)燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響Fig.14 Effect of different c/L on total pressure loss coefficient of the combustor

在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，

c

/

L

在0.2~0.5變化時(shí)，雖然對(duì)燃燒效率

η

有一定影響，但對(duì)總壓損失系數(shù)

σ

的影響較小。從優(yōu)化燃燒室性能的角度，應(yīng)選擇

η

較高而

σ

偏小的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，即

c

/

L

=0.2，此時(shí)

η=

98.560%，

σ=

3.194%。

3 結(jié) 論

（1）導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)

a

/

E

對(duì)燃燒室燃燒效率、總壓損失系數(shù)影響較大，對(duì)

b

/

H

、

c

/

L

影響較小。上述三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒室的低速區(qū)、渦結(jié)構(gòu)均有一定影響。

（2）帶導(dǎo)流片的四通道AVC凹腔結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了未燃與已燃高溫燃?xì)獾膿交?，并能形成穩(wěn)定的雙駐渦結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了火焰穩(wěn)定性。

（3）由于導(dǎo)流片的導(dǎo)流及分流作用，可使燃燒效率大幅度提高的同時(shí)，經(jīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，可避免總壓損失過大，從而提高燃燒室的整體性能。

（4）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

=0.3、

b

/

H

=0.4、

c

/

L

=0.2，此時(shí)燃燒效率98.560%，總壓損失系數(shù)3.194%。