丁兆波，金 捷

（1.北京航天動力研究所，北京100076；2.北京航空航天大學航空發(fā)動機數(shù)值仿真中心，北京100191）

0 引言

蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器具有燃燒效率高，貧油熄火范圍寬，點火性能好等優(yōu)點，在工作狀態(tài)多變的加力燃燒室和亞燃沖壓燃燒室中得到普遍應用。其中鄭殿峰基于斯貝蒸發(fā)式穩(wěn)定器改進設計了多種蒸發(fā)式穩(wěn)定器，提高了點火性能、火焰穩(wěn)定性和燃燒效率，擴大了低壓下的貧富油熄火邊界。劉鴻、王家驊等對應用在AL-31F加力燃燒室的一種V型蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器進行了研究，揭示了該種穩(wěn)定器冷態(tài)下的總壓損失特點以及低壓穩(wěn)定性好，貧富油熄火邊界寬的特點。

本文對某型蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器在高速低溫來流下的流動特性、兩相燃燒及性能進行了數(shù)值模擬與分析，并與常規(guī)V型火焰穩(wěn)定器進行了對比分析，重點關注與氣動及燃燒特性有關的關鍵參數(shù)。

1 數(shù)學物理模型

1.1 研究問題

蒸發(fā)式穩(wěn)定器的幾何結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。此穩(wěn)定器置于二元矩形通道內(nèi)，選取堵塞比0.32。V型穩(wěn)定器見圖1（b）所示。

1.2 數(shù)值方法及邊界條件

計算采用有限體積方法和迎風格式對氣相N-S控制方程進行離散。壓力和速度的耦合采用SIMPLE方法。標準k-ε模型提供湍流封閉，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)處理。采用守恒標量的PDF模型處理擴散燃燒問題。煤油噴霧采用離散相模型，在全流場中用拉格朗日方法跟蹤液滴的運動和輸運。給定來流空氣速度進口，壓力出口，燃料進口采用DPM模型，給定煤油噴嘴的位置、液滴的速度、直徑、靜溫和流量。壁面絕熱，無滑移。

具體模擬工況：進口氣流Ma=0.15～0.28；進口溫度T=429～583 K；油氣比f=0.003～0.02。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 氣動特性

對相同槽寬的蒸發(fā)式和V型穩(wěn)定器，Ma數(shù)取0.15，0.20，0.24和0.28等4個值進行了冷態(tài)流場的數(shù)值模擬。

2.1.1 燃燒室氣動損失

實際燃燒室中，由于存在摩擦阻力、混合阻力和加熱阻力等，出口總壓必然低于進口總壓。習慣上，定義燃燒室總壓恢復系數(shù)為出口截面平均總壓與進口截面平均總壓之比。

由圖2可見，隨進口氣流速度的增大，蒸發(fā)式穩(wěn)定器的總壓恢復系數(shù)有明顯的下降，計算值與試驗值的變化趨勢一致，誤差在可接受范圍內(nèi)；相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器，總壓恢復系數(shù)略有減小，但變化不大。

2.1.2 回流區(qū)長度、回流率φ和停留時間τres

由圖3（a）可見，隨來流速度的增大，回流區(qū)長度略有變化，但變化不大；回流區(qū)長度相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器略小。

回流率φ為回流區(qū)內(nèi)逆流流量與來流流量之比。根據(jù)均勻攪拌器理論，回流率越大，回流區(qū)內(nèi)熱燃氣質(zhì)量越多，這有利于和來流新鮮混氣的熱交換，有利于燃燒。由圖3（b）可見，隨來流速度的增大，回流率基本不變；相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器，回流率明顯減小。

在混合區(qū)中燃氣的停留時間決定了是否能建立一穩(wěn)定的火焰或者熄火，停留時間：

式中：L為回流區(qū)長度；V2為混合區(qū)邊緣處的速度。根據(jù)米海爾松準則若 τ＜τ，即resb可燃物停留時間小于燃燒時間，火焰就會被吹離回流區(qū)而熄滅。理論上說，Mi越大越有利于燃燒。τres≈τb相應于臨界穩(wěn)定著火值。

由圖3（c）可見，隨來流速度的增大，停留時間明顯縮短；相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器，停留時間略有減小，但變化不大。

2.2 燃燒特性

2.2.1 燃燒流場特征

蒸發(fā)式穩(wěn)定器寬廣的工作范圍和良好的高速低溫來流下的點火性能主要得益于其特殊的尾跡氣流結(jié)構(gòu)和采用回流區(qū)局部供油方案。

圖4為蒸發(fā)式穩(wěn)定器正對蒸發(fā)管分布孔的流型數(shù)值仿真結(jié)果 。氣流分兩路進入穩(wěn)定器，一部分通過進氣管進入蒸發(fā)管與噴入蒸發(fā)管內(nèi)的燃油混合后從蒸發(fā)管上下兩側(cè)的分布孔射出，并和另一部分從穩(wěn)定器頭部的進氣孔進入的空氣形成混合流。蒸發(fā)式穩(wěn)定器后部形成明顯的回流區(qū)，由一對穩(wěn)定的渦對組成。蒸發(fā)式穩(wěn)定器的內(nèi)回流區(qū)，受到V型翼板的保護，基本上不受外部主流流動的干擾，并可以單獨控制局部供油，因此有利于在高速來流的條件下可靠工作。

另一方面，采用蒸發(fā)管有利于在尺寸很小的火焰穩(wěn)定器內(nèi)組織燃燒。蒸發(fā)管有利于燃油較充分地霧化蒸發(fā)和摻混，同時單獨給穩(wěn)定器供油，可以使穩(wěn)定器在最佳油氣比下工作?；亓鲄^(qū)氣態(tài)燃油濃度較高，對于點火、組織燃燒比較有利，保持回流區(qū)始終處于高溫區(qū)（圖5），大大提高穩(wěn)定器的壁溫，使低溫來流下的穩(wěn)定工作能力相應增強。來自主流的冷油滴可以在其表面再次蒸發(fā)，給回流區(qū)補充可燃蒸汽，進而又強化了穩(wěn)定器的“蒸鍋效應”，使火焰穩(wěn)定器的工作狀態(tài)得以恢復，從而有利于低溫來流條件下穩(wěn)定燃燒。

2.2.2 不同來流及油氣比下的燃燒性能

由圖6（a）可見，隨著來流速度的增大，燃燒效率略有變化，但變化不大。油氣比f=0.02相比f=0.003情況下燃燒效率顯著提高，在Ma=0.28,f=0.02時，燃燒效率最大，可達96%。由圖6（b）可見，僅穩(wěn)定器局部供油，即f=0.003時，出口平均溫度約600 K。而主燃區(qū)和穩(wěn)定器組合供油，即f=0.02時，出口平均溫度約1200 K，且沿徑向分布更為均勻。

3 結(jié)論

通過對某型蒸發(fā)式穩(wěn)定器在本文模擬來流條件下的數(shù)值研究，得出以下結(jié)論：

1）隨來流速度的增大，總壓恢復系數(shù)明顯下降，停留時間明顯縮短，而回流區(qū)長度、回流率和燃燒效率變化不大。

2）與相同槽寬的常規(guī)V型火焰穩(wěn)定器相比，回流率明顯減小，總壓恢復系數(shù)、回流區(qū)長度和停留時間略有減小。

3）蒸發(fā)式穩(wěn)定器后部可形成明顯的回流區(qū)，且基本上不受外部主流流動的干擾，有利于在高速來流的條件下可靠工作。

4）通過單獨控制穩(wěn)定器局部供油，可以使穩(wěn)定器在最佳油氣比下工作，有利于燃油較充分地霧化蒸發(fā)和摻混，有利于低溫來流下的點火和組織燃燒。

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