進口參數(shù)對帶導流片的三維環(huán)形TVC性能的影響*

俞 駿,劉景源

(南昌航空大學飛行器工程學院,南昌 330063)

0 引言

為了進一步降低污染物排放、拓寬低貧油熄火邊界、增強高空再點火能力,文獻[1]提出了駐渦燃燒室(TVC),并得到了廣泛研究[2-4]。

為增強TVC的性能,Agarwal等[5-6]把導流片引入壁面凹腔TVC,并進行了實驗及數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明引入的導流片能提高TVC的性能。王志凱等[7]則將導流片引入鈍體結(jié)構(gòu)TVC,并研究了導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對TVC性能的影響。徐舟等[8-9]對帶導流片壁面凹腔TVC進行了結(jié)構(gòu)改進,并研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)及燃氣進氣參數(shù)的變化對改進的TVC性能的影響。文獻[10-11]則對單、雙旋流駐渦燃燒室流場結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值分析。

引入導流片的TVC在總壓損失系數(shù)可接受的范圍內(nèi),不但會形成理想的雙渦對結(jié)構(gòu)、增進主流與凹腔內(nèi)流動相互作用,而且能夠拓寬低貧油熄火邊界、增強高空再點火能力。但是,所研究的帶導流片的燃燒室均為方形截面[5-11],而實際的截面形狀均為環(huán)形。另外,并未研究引入導流片后的環(huán)形燃燒室入口燃氣參數(shù)變化對燃燒室性能的影響。文中研究進氣參數(shù)變化對帶導流片的三維環(huán)形中心鈍體TVC性能的影響,為工程應用提供參考。

1 計算模型及計算條件

1.1 幾何模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

帶導流片環(huán)形旋渦燃燒室由18個圖1所示的模型繞軸線周期陣列而來,燃燒室總長400 mm,內(nèi)徑700 mm,外徑900 mm,前、后鈍體軸向長度分別為40 mm、20 mm,導流片厚度為1 mm。其他參數(shù)如表1所示。

圖1 帶導流片的三維環(huán)形TVC尺寸

參數(shù)取值c/H10.2e/B0.2b/L0.1S2/a0.8H2/H10.7B/mm20H1/mm60L/mm36α/(°)20

1.2 計算條件

數(shù)值模擬方法及算例驗證詳見文獻[7]。燃燒室進口燃氣速度、當量比及進氣溫度的取值如表2所示。

表2 進口燃氣參數(shù)

2 計算結(jié)果與分析

2.1 進氣速度對燃燒室性能的影響

2.1.1 凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

數(shù)值模擬進氣速度對燃燒室的影響時,固定進氣當量比φ=0.6,進氣溫度T=300 K。截面0°(對應計算模型中間截面)時凹腔對應的速度及旋渦結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知,不同進氣速度下凹腔旋渦結(jié)構(gòu)基本保持不變,表明TVC的火焰穩(wěn)定幾乎不受來流速度的影響。同時不難看出隨著進氣速度的增加,外側(cè)旋渦與主流之間的速度增加,有利于凹腔高溫燃氣與主流之間的熱質(zhì)交換。另外,圖中導流片出口附近區(qū)域流動速度變高,其原因是導流片出口附近燃氣燃燒釋熱導致流體溫度升高,溫度升高致使密度降低,根據(jù)質(zhì)量守恒,則流速增加。

圖2 不同進氣速度時0°截面的凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

2.1.2 總壓損失系數(shù)

圖3給出了總壓損失系數(shù)σ(定義為進出口總壓相減后除以進口總壓)隨不同進氣速度變化曲線。由圖3可見,進氣速度對總壓損失系數(shù)影響較大。這是因為進氣速度越大,導流片及鈍體對來流的阻礙作用越明顯,型阻越大;同時混合氣體間因運動而產(chǎn)生的損失也越大,再加上流體與燃燒室各壁面間的摩擦阻力,使得總壓損失系數(shù)隨進氣速度增加而增加。

圖3 不同進氣速度時的總壓損失系數(shù)

2.1.3 出口截面NO分布及燃燒效率

圖4為各進氣速度下燃燒室的出口NO質(zhì)量分數(shù)分布。由圖4可知,隨著進氣速度增大,混合氣體的流速變大,這使得氣體在燃燒室駐留的時間減小,在燃燒室溫度分布大致相同的情況下,NO排放含量降低。這一點也可以從表3的出口NO質(zhì)量分數(shù)的數(shù)值看出。

圖4 不同進氣速度時出口截面NO質(zhì)量分數(shù)

進氣速度/(m/s)NO質(zhì)量分數(shù)206.60×10-7403.75×10-7602.69×10-7802.11×10-71001.87×10-7

圖5為不同進氣速度對燃燒效率η影響曲線。由圖5可見,雖然η隨V的增大而減小,進氣速度對燃燒效率(總體都在97.7%以上)影響較小。參考圖2,雖然進氣速度增加有助于未燃氣體與高溫熱質(zhì)間的摻混,但駐留時間的減短使得燃燒效率總體呈小幅下降趨勢。

圖5 不同進氣速度時的燃燒效率

2.2 燃氣當量比對燃燒室性能的影響

2.2.1 凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

圖6為進氣當量比對凹腔旋渦結(jié)構(gòu)的影響。由圖6可知,隨著進氣當量比的增加,凹腔外側(cè)渦對逐漸變大,內(nèi)側(cè)渦對逐漸變小。這是由于當量比增加會使進入凹腔的氣流在經(jīng)燃燒后所釋放的能量增加,能量增加所導致的流體溫度增加使氣體體積膨脹、密度減小。根據(jù)質(zhì)量守恒,為流過相同質(zhì)量流量的流體,則流動通道必然加大,因此促使凹腔流體向兩側(cè)擴張,擠壓了內(nèi)側(cè)渦對,使其變小。雖然凹腔旋渦大小發(fā)生變化,但旋渦渦核的位置變化不大。

圖6 不同當量比φ時0°截面的凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

2.2.2 總壓損失系數(shù)

圖7為不同當量比下燃燒室總壓損失系數(shù)變化曲線。由圖7可知,隨著進氣當量比的增大,總壓損失系數(shù)逐漸變大。當量比增大使得燃燒室溫度上升,而氣體粘性隨溫度升高是逐漸變大的,這會使得燃燒室摩擦損失增大,另外,燃燒室燃燒放熱產(chǎn)生熱阻損失,因此,總壓損失系數(shù)變大。

圖7 不同當量比φ時的總壓損失系數(shù)

2.2.3 出口截面NO分布及燃燒效率

不同進氣當量比對燃燒室出口NO分布如圖8所示。由圖8可見,不同當量比對NO生成的影響較大:當量比為0.2時,燃燒室?guī)缀醪划a(chǎn)生NO;之后隨當量比的增大,NO急劇變大。由NO生成機理可知,在燃料為CH4的情況下,熱力型NO是燃燒室主要生成途徑[12],而熱力型NO生成含量隨溫度升高而快速增大,因此出口NO分布變化較大。

圖8 不同當量比φ時出口截面NO質(zhì)量分數(shù)分布

當量比?NO質(zhì)量分數(shù)0.24.09×10-180.42.17×10-120.62.69×10-70.81.33×10-41.01.07×10-3

圖9為不同當量比下燃燒室燃燒效率變化曲線。由圖9可知,隨著進氣當量比的增大,燃燒效率逐漸變低。燃燒室燃燒效率由于進氣的燃料變多,燃燒從外部向內(nèi)部傳播所需的時間的變長,促使相同進氣速度、溫度及燃燒室長度下,燃燒效率降低。

圖9 不同當量比φ時燃燒效率

2.3 進氣溫度對燃燒室性能的影響

2.3.1 凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

圖10為進氣溫度對凹腔旋渦結(jié)構(gòu)變化的影響。由圖10可見,導流片出口附近速度增加。由于燃燒釋熱導致氣體體積膨脹、密度減小,根據(jù)質(zhì)量守恒條件,流動速度增大。入口溫度升高時,導流片附近及燃燒室中間通道高速度區(qū)變小是因為燃燒室入口溫度低時的溫升高,導致氣體的體積膨脹更大密度更小,因此入口溫度低時流速比入口溫度高時的大。

另外,凹腔內(nèi)低流速區(qū)及內(nèi)側(cè)渦對隨進氣溫度的增大而增大,表明進氣溫度增加有助于點火穩(wěn)定。隨著入口溫度增加,溫升減小,氣體體積膨脹率減小,則凹腔中心高速流動區(qū)域減小,對內(nèi)側(cè)渦對的擠壓作用減小,旋渦變大。

圖10 不同進氣溫度時0°截面凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

2.3.2 總壓損失系數(shù)

進氣溫度對燃燒室總壓損失系數(shù)的影響如圖11所示。由圖11可見,燃燒室總壓損失系數(shù)隨著入口溫度增加逐漸變小。從圖13可見,不同入口溫度下,燃燒效率均在98%以上,并且入口溫度增加燃燒效率僅僅緩慢增加,而且增幅很小,因此隨著入口溫度的增加,燃燒室溫升減小。由于燃燒室溫升隨著入口溫度增加而減小、熱阻變小,燃燒室總壓損失系數(shù)逐漸變小。

圖11 不同進氣溫度時總壓損失系數(shù)

2.3.3 出口截面NO質(zhì)量分數(shù)分布及燃燒效率

進氣溫度對出口NO分布的影響如圖12所示。由圖12可知,隨著進氣溫度的升高,燃燒室燃料燃燒越充分,燃燒室內(nèi)溫度變大,熱力型NO含量上升,因此出口NO分布急劇變大。這一點可以從表5的出口NO質(zhì)量分數(shù)看出。

圖12 不同進氣溫度時出口截面NO質(zhì)量分數(shù)分布

進氣速度/(m/s)NO質(zhì)量分數(shù)3002.69×10-75009.77×10-67002.25×10-49001.87×10-3

進氣溫度對燃燒室燃燒效率的影響如圖13所示。由于燃料與空氣的化學反應速率隨溫度增加而增加,同時已燃氣體與未燃氣體間摻混的加劇,導致了燃燒室整體燃燒效率曲線隨溫度逐漸上升。由于燃燒效率的增大,致使未燃氣體占有的比例減小,因此燃燒效率隨著進口溫度的增加增幅變緩。

圖13 不同進氣溫度時燃燒效率

3 結(jié)論

文中對帶導流片的三維環(huán)形TVC在不同進氣速度、燃氣當量比、進氣溫度下的燃燒室進行了數(shù)值模擬,并分析了燃燒室的流動及燃燒的性能,主要結(jié)論如下:

1)不同進氣速度下燃燒室凹腔旋渦、燃燒效率及出口NO分布基本不變,但總壓損失系數(shù)隨進口速度增加快速增大。

2)進氣當量比增大導致凹腔內(nèi)側(cè)渦對變小,燃燒效率降低,總壓損失系數(shù)增大,但幅度都不大,且渦核位置基本不變。

3)進氣溫度升高有利于燃燒室凹腔駐渦、降低總壓損失系數(shù)、增加燃燒效率。

4)進氣當量比及進氣溫度的升高使得燃燒室溫度變高,出口NO排放量增加。

綜上,從增加燃燒室性能的角度,權(quán)衡多個性能參數(shù),當進氣速度為20 m/s、當量比為0.2、進氣溫度為500 K時,燃燒室性能最佳。