李 超，王成軍，張群杰

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136)

旋流器是燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的一個(gè)重要部件，其主要功用有:(1)在火焰筒頭部產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)射流形成低壓區(qū)，從而造成熱回流區(qū)以保證火焰穩(wěn)定;(2)高速旋轉(zhuǎn)射流增加了氣流與油滴的相對(duì)速度，改善了燃油霧化和混氣形成;(3)為頭部提供適量的空氣，以保證頭部具有適合的余氣系數(shù)。因此旋流器的工作性能如何將全面影響燃燒室的綜合性能。

為了提高燃燒室的溫升及其穩(wěn)定工作范圍，改進(jìn)火焰筒頭部燃燒組織，發(fā)展多級(jí)旋流器是滿足高性能燃燒室燃燒性能的關(guān)鍵。雙級(jí)旋流器作為一種新型旋流器，由于它能保證良好的氣動(dòng)霧化性能和充足的回流區(qū)，滿足高溫升大熱負(fù)荷燃燒室頭部設(shè)計(jì)要求，因此常被一些先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用。針對(duì)旋流器的工作特性，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)旋流器的功用及其對(duì)燃燒室燃燒性能的影響做了大量的研究。Woodmansee等應(yīng)用激光多普勒測(cè)速儀和數(shù)字式示蹤粒子測(cè)速儀技術(shù)研究了旋流器下游流場(chǎng)［1］。woo等對(duì)同向和反向旋轉(zhuǎn)的雙級(jí)徑向旋流器的流場(chǎng)和燃油霧化進(jìn)行了研究［2］。文獻(xiàn)［3］中采用三維貼體坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)環(huán)形燃燒室全流程兩相燃燒流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了進(jìn)口工況對(duì)全流程燃燒流場(chǎng)的影響［3］。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一種三級(jí)旋流器，并對(duì)其工作狀況進(jìn)行了數(shù)值研究［4］。文獻(xiàn)［5］試驗(yàn)研究了雙旋流器頭部燃燒室?guī)缀螀?shù)對(duì)單頭部試驗(yàn)燃燒室燃燒性能影響［5］。文獻(xiàn)［6］數(shù)值模擬雙級(jí)徑向旋流器的燃燒過(guò)程［6］。文獻(xiàn)［7］介紹了徑向旋流器的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，并在燃燒室中對(duì)旋流器的性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析［7］。文獻(xiàn)［8］采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)新型低NOx旋流燃燒器的冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究［8］。文獻(xiàn)［9］采用 Fluent軟件對(duì)CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)旋流杯火焰筒頭部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果與PDPA的測(cè)量數(shù)據(jù)符合較好［9］。

本文結(jié)合雙級(jí)徑向旋流器的流動(dòng)特性和文獻(xiàn)研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種雙級(jí)徑向旋流器。采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)已設(shè)計(jì)的雙級(jí)徑向旋流器在模型燃燒室中進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了旋流器第Ⅱ級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒性能的影響。

1 雙級(jí)徑向旋流器結(jié)構(gòu)

雙級(jí)徑向旋流器的設(shè)計(jì)主要包括Ⅰ、Ⅱ級(jí)旋流器，文氏管，套筒的結(jié)構(gòu)，Ⅰ、Ⅱ級(jí)旋流器的旋流數(shù)等，

旋流器外徑DS

出口喉道外徑Dt

旋流器進(jìn)口葉片寬度B

旋流器內(nèi)徑ds

出口喉道內(nèi)徑dt

旋流器葉片個(gè)數(shù)N

葉片喉道面積As

出口喉道面積At

旋流數(shù)SN

根據(jù)旋流器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，旋流器機(jī)構(gòu)如表1所示。

表1 雙級(jí)徑向旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 徑向旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖及其幾何特征尺寸

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 三維網(wǎng)格生成

本文應(yīng)用Gambit建模軟件對(duì)燃燒室整體進(jìn)行建模。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建模，并對(duì)旋流器、氣膜冷卻孔附近進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約100萬(wàn)(如圖3所示)，在計(jì)算中選取噴嘴出口處為作坐標(biāo)原點(diǎn)，延燃燒室軸向?yàn)閤軸方向，徑向?yàn)閥軸方向。

2.2 基本控制方程及數(shù)學(xué)模型

由于從旋流器出來(lái)的空氣帶有強(qiáng)旋流動(dòng)，κ-ε雙方程模型不適用于強(qiáng)旋流動(dòng)，故對(duì)燃燒室內(nèi)的湍流流動(dòng)應(yīng)用RNGκ-ε模型;采用非預(yù)混湍流燃燒的簡(jiǎn)化PDF-快速反應(yīng)模型估算化學(xué)反應(yīng)速率;P1輻射模型考慮熱輻射對(duì)氣流溫度和壁面的影響;燃油噴嘴采用壓力霧化器模型。

2.3 邊界條件及收斂條件設(shè)定

燃燒室進(jìn)口和出口邊界條件分別是:質(zhì)量流量進(jìn)口和壓力出口，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。本文數(shù)值模擬以流量相對(duì)誤差小于5%，其余殘差小于1.0×10－3作為判定收斂條件。

3 結(jié)果與分析

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)單頭部雙級(jí)徑向旋流器模型燃燒室全流程流場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。進(jìn)口氣流參數(shù):溫度為634 K，進(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，流量為 0.12 kg/s，油氣比為 0.015;在第一級(jí)旋流器葉片安裝角為45°情況下，分析旋流器第Ⅱ級(jí)葉片安裝角分別為:40°、45°、50°和 60°時(shí)對(duì)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)和溫場(chǎng)的影響。計(jì)其部分計(jì)算結(jié)果如下:

由圖4可知，在x=20 mm～50 mm范圍內(nèi)，四種安裝角下旋流器出口軸向速度分布相似。在x=20 mm處旋流器出口旋轉(zhuǎn)氣流擴(kuò)張形成的旋流錐面上軸向速度在其中心位置附近出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱的峰值，由于空氣的粘性和旋流器出口氣流的旋轉(zhuǎn)作用，在兩峰值之間又形成一個(gè)很大的負(fù)速度區(qū)域，即中心回流區(qū)。隨著軸向距離的增加，旋流器出口的軸向速度逐漸降低，回流區(qū)的負(fù)速度也相應(yīng)的減小，中心回流區(qū)域的寬度變大。在x=70 mm處，旋流器的擾流作用相對(duì)減少了許多，主燃孔氣流的進(jìn)入極大的改變了主燃區(qū)流場(chǎng)，受此影響4種安裝角下的旋流器出口軸向速度分布相差較大。

由圖5可知，在x=20 mm處，旋流器安裝角下出口的徑向速度分布相差不大，隨著軸向距離的增加，峰值速度并沒(méi)有明顯改變，這是由于旋流器出口徑向速度過(guò)高，造成旋流器下游流線形狀很難改變;在x=70處，主燃孔氣流的大量進(jìn)入極大的沖擊軸向來(lái)流，使得徑向速度大幅度降低，并在主燃孔附近產(chǎn)生回流。對(duì)比旋流器葉片安裝角40°、45°、50°和 60°4 條徑向速度分布曲線，由于進(jìn)口流速較高，葉片安裝角的改變對(duì)徑向速度分布影響較小。

圖6 旋流器葉片安裝角分別為:40°、45°、50°和60°燃燒室溫度分布

從圖6可以看出，燃燒室內(nèi)主燃區(qū)溫度呈扇形分布，且主燃區(qū)主要集中在燃燒室中心附近。對(duì)比旋流器第Ⅱ級(jí)葉片安裝角為40°、45°、50°和60°燃燒室溫度分布圖，發(fā)現(xiàn)燃燒室內(nèi)溫度與安裝角間沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯規(guī)律性的變化關(guān)系，這與燃燒室內(nèi)燃燒的復(fù)雜性和數(shù)值模擬的不精確性有關(guān);但就燃燒充分性和火焰面形狀來(lái)評(píng)價(jià)旋流器性能來(lái)說(shuō)，第Ⅱ級(jí)葉片安裝角為60°更佳。

圖7 燃燒室出口徑向溫度分布

從圖7中可以看出，旋流器第Ⅱ級(jí)葉片安裝角為 40°、45°、50°和 60°燃燒室出口溫度沿徑向呈拋物線型分布，符合燃燒室出口溫度分布特點(diǎn);由于旋流器安裝角為60°時(shí)燃燒室內(nèi)溫度較高，因此出口溫度分布相對(duì)高些也很正常。

4 結(jié)論

本文根據(jù)旋流器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一種雙級(jí)徑向旋流器，并給出關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)的旋流器結(jié)構(gòu)基本滿足要求。在基本工況下采用數(shù)值模擬的方法研究了旋流器第Ⅱ級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒性能的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:旋流器葉片安裝角在40°～60°范圍內(nèi)，燃燒室內(nèi)的速度分布相差較小，溫度分布與旋流器葉片安裝角沒(méi)有呈現(xiàn)規(guī)律性的變化關(guān)系，對(duì)于本文研究的燃燒室結(jié)構(gòu)，旋流器第Ⅱ級(jí)葉片安裝角為60°的燃燒室燃燒性能更好。

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