楊立山，劉國庫，張智博，鄭洪濤

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽 110015；2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

符號表

ρ 密度，k g·m-3

Sm連續(xù)方程源項，表示從離散相傳播給連續(xù)相的質(zhì)量生成率或其他源項

P 靜壓，P a

τ 混合物黏性應力張量

Ji組元i的質(zhì)量擴散通量

q 輻射換熱量，J·m-2·s-1

Ri化學反應中組元i質(zhì)量生成速率

κ 湍動能，m2·s-2

ε 湍動能耗散率，m2·s-3

GK由平均速度梯度引起的湍動能變化率

Gb由浮力引起的湍動能變化率

YK由可壓縮湍流的波動擴散引起的全局耗散率

Sε、SK用戶自定義源項

C1ε、C2ε、C3ε經(jīng)驗常數(shù)，分別等于1.44、1.92、0

YP生成物的質(zhì)量分數(shù)

YR部分反應物的質(zhì)量分數(shù)

A、B 經(jīng)驗常數(shù)，分別等于4.0、0

0 引言

傳統(tǒng)航空發(fā)動機和燃氣輪機燃燒室主要采用壓力渦的形式，使進入燃燒室的氣體在旋流器后形成低壓區(qū)，達到火焰穩(wěn)定燃燒的目的。但當主流進氣速度較大時，壓力渦容易破碎，并導致熄火等問題。最近幾十年，駐渦燃燒器得到更加廣泛地研究和發(fā)展[1-2]，并被逐漸應用于航空發(fā)動機和燃氣輪機燃燒室中，其特點是該類型的渦只與產(chǎn)生渦的凹腔結構有關，而與主流速度無關，因此在較大進氣速度時仍能提供穩(wěn)定的點火源。另外，其在結構與穩(wěn)焰原理上有較大革新，與傳統(tǒng)燃燒室相比，駐渦燃燒室已被證明具有結構簡單、質(zhì)量輕、成本低、燃燒穩(wěn)定、NOX排放少和燃料適應性強等優(yōu)點[3-5]。在燃燒技術及駐渦燃燒室方面，國內(nèi)外學者進行了大量研究。宋雙文等[6-7]采用凹腔駐渦燃燒室作為渦輪級間燃燒室，設計加工了全環(huán)凹腔駐渦燃燒室試驗件，進行了試驗研究；金義等[8]針對使用航空煤油的RQL工作模式的駐渦燃燒室排放性能開展了系統(tǒng)的試驗研究，分析總結了駐渦區(qū)余氣系數(shù)、進口空氣流量和進口空氣溫度等參數(shù)影響RQL工作模式駐渦燃燒室排放性能的變化規(guī)律；丁國玉等[9]開展了進口空氣馬赫數(shù)、駐渦區(qū)余氣系數(shù)影響渦輪級間燃燒室燃燒性能的試驗研究，獲得了燃燒室性能參數(shù)的變化規(guī)律；臧鵬等[10]設計了1種基于凹腔駐渦的無焰燃燒室，并對其進行了0維和3維數(shù)值計算；P.K.Ezhil Kumar等[11]通過使用數(shù)學上SSTk-e模型和渦耗散燃燒模型研究了3維駐渦燃燒室凹腔中的反應和無反應流動結構，并與試驗值進行了對比；Fei Xing等[12]使用數(shù)值模擬和試驗的方法研究了幾種凹腔駐渦形式對火焰穩(wěn)定性的影響，并建立了預測貧油熄火極限的經(jīng)驗公式；JINYi[13]等提出并討論了1種改進型的駐渦燃燒室，分析了燃燒效率與過量空氣系數(shù)、進口馬赫數(shù)的關系及進、出口溫度分布情況；ChaoukiGhenai[14]等使用數(shù)值模擬方法研究了使用氫氣或合成氣等可再生能源替代傳統(tǒng)天然氣時對駐渦燃燒室性能的影響；文獻[15]詳細研究了凹腔結構和位置對駐渦區(qū)旋渦的影響。

雖然上述研究取得了一定成果，但大部分研究集中于以GE公司第3代凹腔駐渦燃燒室為核心結構的傳統(tǒng)駐渦燃燒室上，該燃燒室雖然整體性能較好，但存在火焰長度普遍較長和燃燒效率并不理想等問題，影響了駐渦燃燒室的發(fā)展和實用化設計。張智博等[16]基于凹腔駐渦燃燒室基本結構提出了1種新的燃燒流場組織技術——旋轉流線渦技術（Revolving Streamline Vortex Technology,RSVT），并分析了該技術與傳統(tǒng)駐渦燃燒技術在不同進氣條件下對燃燒室渦及燃燒性能的影響。

本文以旋轉流線渦燃燒室為基礎，采用數(shù)值模擬方法研究了不同旋流器位置和數(shù)量對該燃燒室冷態(tài)流場和燃燒性能的影響，為旋轉流線渦的優(yōu)化設計和改進提供了參考。

1 模型及邊界條件

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

參照文獻[12，16]中駐渦燃燒室的結構尺寸，建立了旋轉流線渦燃燒室的幾何模型，如圖1所示。該燃燒室由主流進氣段、機匣進氣段、凹腔、蒸發(fā)管、摻混段和出口段等基本結構組成。燃燒室全長255mm，凹腔長52mm、寬65mm、高50mm。根據(jù)旋轉流線渦燃燒室的基本原理，在凹腔前設置了旋流器。

圖1 旋轉流線駐渦燃燒室?guī)缀文Ｐ?/p>

由于旋流器和混合管等部分幾何形狀比較復雜，在進行網(wǎng)格劃分時，為在現(xiàn)有計算能力下盡可能提高計算精度，運用ICEMCFD12.0軟件采用6面體核心網(wǎng)格技術進行了網(wǎng)格劃分，并在存在局部細小結構的部分進行了網(wǎng)格加密。中截面網(wǎng)格形式如圖2所示。

圖2 中截面網(wǎng)格形式

1.2 數(shù)學模型

質(zhì)量守恒定律為

動量守恒定律為

能量守恒定律為

組分輸運方程為

為封閉方程組，采用Realizable湍流模型描述湍流流動，其修正了湍動黏度，考慮了旋流流動和曲率變化，并修正了光譜能量轉換并約束了時均應變率；同時采用新的湍流耗散率方程，更適于模擬本文模型及問題。該方程形式為

1.3 邊界條件

根據(jù)文獻[16]中的數(shù)據(jù)，結合實際情況分析，采用的邊界條件及參數(shù)見表1。其中計算時采用的操作壓力為2026500Pa。各進口邊界所代表的截面如圖3、4所示。

表1 邊界條件及參數(shù)

圖3 進、出口邊界

圖4 蒸發(fā)管及邊界

2 旋流器位置對性能的影響

2.1 在不同旋流器位置時冷態(tài)場對比分析

定義旋流器距離燃燒室頭部為88、106和128mm處分別為位置1、2和3。

為比較幾種燃燒室的冷態(tài)流場，圖5給出了幾種不同旋流器位置時旋轉流線渦燃燒室橫截面的冷態(tài)場渦量。從圖中可見，在燃燒室流場凹腔內(nèi)均存在較大的回流區(qū)域，對穩(wěn)定火焰、組織燃燒起到很大作用，符合駐渦燃燒的特點。比較分析后可見，在位置1時產(chǎn)生的流線渦是最好的，位置2時的則相反。表明旋流器在位置1時更易于穩(wěn)定燃燒，也比后2種位置的流線渦穩(wěn)定，不易脫落。

為比較幾種形式的燃燒室空氣與燃料的摻混效果，圖6給出了幾種不同旋流器位置時旋轉流線渦燃燒室縱剖面的冷態(tài)場渦量。從圖中可見，隨著旋流器位置的改變，產(chǎn)生的流線渦也發(fā)生了明顯變化。當旋流器在位置1時摻混效果最好，而隨著旋流器靠近凹腔，摻混效果有逐漸變好的趨勢，但總體上還是在位置1時效果最佳。旋流器在位置1時形成渦較少且分散，說明主流空氣更易于將燃料打散，更有益于燃料與空氣摻混，使燃燒性能更好。

圖5 在不同旋流器位置時的橫截面的渦量

圖6 在不同旋流器位置時的渦量

2.2 在不同旋流器位置時燃燒場對比分析

不同旋流器位置時的燃燒效率如圖7所示。從圖中可見，燃燒效率隨旋流器位置的后移先降低后提高，在位置1時最高，在位置2時則相反。

圖7 在不同旋流器位置時的燃燒效率

采用C O2摩爾分數(shù)判斷火焰長度的方法，比較了不同旋流器位置時的火焰長度，結果如圖8所示。從圖中可見，在3種旋流器位置時火焰長度分別為5 0、6 0、5 2m m。當旋流器位置向凹腔靠近時，并沒有改善燃燒情況，反而在位置2時，火焰長度最長，表明造成燃料裂解不夠完全，空氣與燃料摻混不夠充分，從而使火焰長度較長。隨著旋流器位置進一步移近凹腔，火焰長度有所縮短，但即使緊靠凹腔時，火焰長度還是比旋流器在位置1時的長些，其燃燒情況最為理想。

圖8 在不同旋流器位置時CO2的摩爾分數(shù)

3 旋流器數(shù)量對性能的影響

3.1 在不同旋流器數(shù)量時冷態(tài)場對比分析

橫截面與縱剖面渦量對比分別如圖9、1 0所示。

通過對比可見，3旋流器與雙旋流器在Z中截面產(chǎn)生渦的差異并不大，但前者產(chǎn)生的渦范圍更大。而在X中截面，3旋流器產(chǎn)生的流線渦比雙旋流器的更理想，空氣與燃料摻混更好，從而使燃燒性能更好。

圖9 橫截面渦量對比

圖10 縱剖面渦量對比

3.2 在不同旋流器數(shù)量時燃燒場對比分析

文獻[16]已經(jīng)證實，在傳統(tǒng)駐渦燃燒室頭部加裝旋流器會增加壓力損失和耗油率。所以當采用不同數(shù)目旋流器時，首先計算燃燒室的壓力損失，以驗證燃燒室的性能。根據(jù)數(shù)值模型結果求出雙旋流器與3旋流器的總壓損失系數(shù)分別為13.1%和14.3%。

計算結果表明，當將旋流器數(shù)目增至3個后，壓力損失增大了1%，這是由于受燃燒室尺寸的限制，旋流器所占的總體積有限，增加1個旋流器后壓力損失增大得并不十分明顯。

不同旋流器數(shù)目時壁面溫度分布如圖11所示。

圖11 在不同旋流器數(shù)目時壁面溫度分布

從圖中可見，3旋流器的壁面溫度場比雙旋流器的更理想，局部高溫區(qū)有所消退。但2種結構下燃燒室的壁面溫度都較高，且存在局部高溫區(qū)。這是由于在數(shù)值模擬中將燃燒室壁面按照絕熱壁面進行處理，無法與燃燒室外的空氣進行導熱，從而使得壁溫偏高。

與第2.2節(jié)采用相同的CO2摩爾分數(shù)法來確定火焰長度，采用雙旋流器與3旋流器的火焰長度分別為52和50mm。二者相差較小，說明旋流器數(shù)目對燃燒室火焰長度的影響并不明顯。

4 結論

（1）旋流器距離燃燒室頭部為88mm時，流線渦效果最好，燃燒效率最高，火焰長度最短，并且燃燒效果最理想。

（2）旋流器數(shù)目的改變對壓力損失和火焰長度的影響并不明顯，但3旋流器比雙旋流器的壁面溫度場更為理想。

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