超緊湊燃燒室進(jìn)口速度對燃?xì)鈸交斓挠绊?/h1>
2016-08-03 08:54:58賈譯鈞周蕊燕沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院遼寧沈陽036沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部遼寧沈陽036
國防制造技術(shù) 2016年1期
賈譯鈞周蕊燕（ 沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽，036； 沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽，036）
超緊湊燃燒室進(jìn)口速度對燃?xì)鈸交斓挠绊?/p>
賈譯鈞1周蕊燕2
（1 沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽，110136；2 沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽，110136）
在超緊湊燃燒室中，燃油在周向環(huán)腔中燃燒后，高溫燃?xì)膺M(jìn)入葉間通道與主氣流發(fā)生摻混作用后排出并對渦輪做功。本文利用FLUENT軟件數(shù)值模擬了不同主氣流進(jìn)口速度和不同二次射流進(jìn)口速度條件下，高溫燃?xì)庀♂寭交煨Ч?，并指出二次射流進(jìn)口速度增大，主氣流進(jìn)口速度減小有利于高溫燃?xì)獬浞窒♂寭交?，反之，則不利于高溫燃?xì)庀♂寭交臁?/p>
超緊湊燃燒室；燃燒特性；流動特性；稀釋摻混；數(shù)值模擬
提高航空發(fā)動機(jī)推質(zhì)比，降低燃油消耗是航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢和道路。美國空軍實(shí)驗(yàn)室根據(jù)Lewis提出離心力能增加火焰?zhèn)鞑ニ俾剩?］的理論，結(jié)合駐渦燃燒室理論，提出了超緊湊燃燒室結(jié)構(gòu)（ultra-compact combustor，UCC）。UCC因其主燃區(qū)在周向燃燒環(huán)腔中，從而明顯縮短了燃燒室軸向長度。與傳統(tǒng)燃燒室相比，UCC能在保持相同尺寸的前提下，明顯提高燃燒性能，提高發(fā)動機(jī)推重比。
目前國內(nèi)外對UCC做了大量研究。Anthenien［2］研究指出將UCC作主燃燒室的發(fā)動機(jī)比傳統(tǒng)燃燒室作主燃燒室的發(fā)動機(jī)軸向長度可縮短達(dá)66%。Cottle［3］研究了UCC氣流分配的問題，指出從壓氣機(jī)出來的空氣70%進(jìn)入主氣流入口，30%進(jìn)入二次射流入口最理想。
本文用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法研究主流和二次射流進(jìn)口速度大小對UCC內(nèi)高溫燃?xì)庀♂寭交熳饔玫挠绊憽Τ隹跍囟确植純?yōu)化具有借鑒意義。
1 物理與數(shù)值模型
圖1是本文UCC物理模型結(jié)構(gòu)。燃油在燃燒環(huán)腔內(nèi)燃燒，高溫燃?xì)庠龠M(jìn)入葉間通道與主流空氣稀釋摻混后從出口排出。UCC尺寸設(shè)計(jì)參考了美國空軍實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)裝置。燃燒室周向環(huán)形腔沿軸向長度L為25.4mm，沿徑向高度H為16.5mm，主氣流進(jìn)氣道高度為9.5mm。在燃燒環(huán)腔上沿周向均勻分布6個燃油噴嘴。每個噴嘴周圍分布4個二次空氣射流入口，射流方向與徑向方向夾角45°。中心體半徑為28.6mm。在中心體上均勻分布6個渦輪導(dǎo)向葉片。在葉片的同側(cè)開有徑向凹槽（Radial Vane Cavity，RVC）。
2 計(jì)算方法及模型選擇
用CFD商業(yè)軟件FLUENT在DELL服務(wù)器上進(jìn)行。由于燃燒環(huán)腔內(nèi)具有旋流運(yùn)動，湍流模型選擇realizable k-ε湍流模型。燃燒模型采用適合湍流擴(kuò)散火焰的β函數(shù)描述的概率密度（PDF）函數(shù)模型。輻射模型選擇P1輻射模型。壓力格式選擇PRESTO格式。采用SIMPLEC算法處理壓力-速度耦合進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。
表1 計(jì)算工況條件
圖1 UCC結(jié)構(gòu)示意圖
3 邊界條件
主流進(jìn)口和二次射流進(jìn)口都為速度入口，進(jìn)口溫度800K。出口為壓力出口。兩側(cè)面為旋轉(zhuǎn)周期面。具體工況條件見表1。S代表二次射流進(jìn)口速度，M代表主氣流進(jìn)口速度，數(shù)字代表速度大小。后文相同，不再贅述。
4 計(jì)算結(jié)果與分析
圖2 葉間通道徑向中間層溫場云圖
4.1 葉間通道徑向中間層溫場分布
圖2所示為葉間通道徑向中間層溫場分布云圖。在工況M20中，燃燒環(huán)腔右側(cè)區(qū)域，幾乎所有的主流空氣都參與到高溫燃?xì)庀♂寭交爝^程，且高溫區(qū)域向旋流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。表明燃燒環(huán)腔內(nèi)的高溫燃?xì)庠谌~間通道與主氣流摻混后，將周向動量傳遞給主氣流。隨著主氣流進(jìn)口速度增大，在工況M60和M100中，這種現(xiàn)象逐漸減弱甚至消失。但在工況M60中，工況S100M60的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)強(qiáng)于工況S60M60。這是因?yàn)樵诠rS100M60中，二次射流進(jìn)口速度仍然明顯大于主氣流進(jìn)口速度。在工況M60、M100中，有一部分主流空氣幾乎未與高溫燃?xì)獍l(fā)生稀釋摻混作用，就直接由出口排出。這種現(xiàn)象隨著S減小，M增大變得更加明顯。
圖3 葉間通道中心縱截面溫場分布云圖
4.2 葉間通道中心縱截面溫場分布
圖3所示為葉間通道中心處縱截面溫場分布云圖。在工況M20中，高溫區(qū)域幾乎充滿燃燒環(huán)腔右側(cè)整個葉間通道和尾部區(qū)域。且工況S100M20的摻混區(qū)域左側(cè)邊界線比工況S60M20對應(yīng)的左側(cè)邊界線更靠近主氣流進(jìn)口。這是因?yàn)?，在工況M20中主氣流進(jìn)口速度較小，動量較低。二次射流進(jìn)口速度較大，高溫燃?xì)鈩恿枯^大。高溫燃?xì)饽軌虼┩溉~間通道內(nèi)的主氣流，與葉間通道底部的低溫空氣發(fā)生稀釋摻混作用，使整個葉間通道內(nèi)主氣流溫度都升高。與工況S60M20相比，工況S100M20二次流進(jìn)口速度更大，高溫燃?xì)鈱θ~間通道內(nèi)主氣流穿透作用更強(qiáng)，因此摻混區(qū)域左側(cè)邊界更加靠近主流入口。然而在工況S60M100中，在葉間通道內(nèi)，高溫區(qū)域僅僅分布在葉間通道上壁面附近。其它大部分區(qū)域溫度比較接近主氣流入口溫度800K。這是因?yàn)樵诠rS60M100中，主氣流速度較大，二次射流進(jìn)口速度相對較小。高溫燃?xì)鈩恿枯^小，對葉間通道內(nèi)主氣流的穿透作用較弱。使高溫燃?xì)鈳缀蹙o貼葉間通道上壁面流出燃燒室。導(dǎo)致葉間通道下面大部分主氣流幾乎未參與到高溫燃?xì)獾南♂寭交爝^程中。以較低的溫度直接排出燃燒室。對比各種工況可發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象隨著S增大，M減小而減弱甚至消失。
5 結(jié)論
本文利用FLUENT軟件數(shù)值模擬了不同主流、二
下轉(zhuǎn)P70頁
賈譯鈞（1989-），男，四川省南充人，碩士研究生學(xué)歷，沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院在讀，主要研究方向：燃燒流動模擬與仿真。
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超緊湊燃燒室進(jìn)口速度對燃?xì)鈸交斓挠绊?/p>
賈譯鈞1周蕊燕2
（1 沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽，110136；2 沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽，110136）
在超緊湊燃燒室中，燃油在周向環(huán)腔中燃燒后，高溫燃?xì)膺M(jìn)入葉間通道與主氣流發(fā)生摻混作用后排出并對渦輪做功。本文利用FLUENT軟件數(shù)值模擬了不同主氣流進(jìn)口速度和不同二次射流進(jìn)口速度條件下，高溫燃?xì)庀♂寭交煨Ч?，并指出二次射流進(jìn)口速度增大，主氣流進(jìn)口速度減小有利于高溫燃?xì)獬浞窒♂寭交?，反之，則不利于高溫燃?xì)庀♂寭交臁?/p>
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表1 計(jì)算工況條件
圖1 UCC結(jié)構(gòu)示意圖
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主流進(jìn)口和二次射流進(jìn)口都為速度入口，進(jìn)口溫度800K。出口為壓力出口。兩側(cè)面為旋轉(zhuǎn)周期面。具體工況條件見表1。S代表二次射流進(jìn)口速度，M代表主氣流進(jìn)口速度，數(shù)字代表速度大小。后文相同，不再贅述。
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圖2 葉間通道徑向中間層溫場云圖
4.1 葉間通道徑向中間層溫場分布
圖2所示為葉間通道徑向中間層溫場分布云圖。在工況M20中，燃燒環(huán)腔右側(cè)區(qū)域，幾乎所有的主流空氣都參與到高溫燃?xì)庀♂寭交爝^程，且高溫區(qū)域向旋流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。表明燃燒環(huán)腔內(nèi)的高溫燃?xì)庠谌~間通道與主氣流摻混后，將周向動量傳遞給主氣流。隨著主氣流進(jìn)口速度增大，在工況M60和M100中，這種現(xiàn)象逐漸減弱甚至消失。但在工況M60中，工況S100M60的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)強(qiáng)于工況S60M60。這是因?yàn)樵诠rS100M60中，二次射流進(jìn)口速度仍然明顯大于主氣流進(jìn)口速度。在工況M60、M100中，有一部分主流空氣幾乎未與高溫燃?xì)獍l(fā)生稀釋摻混作用，就直接由出口排出。這種現(xiàn)象隨著S減小，M增大變得更加明顯。
圖3 葉間通道中心縱截面溫場分布云圖
4.2 葉間通道中心縱截面溫場分布
圖3所示為葉間通道中心處縱截面溫場分布云圖。在工況M20中，高溫區(qū)域幾乎充滿燃燒環(huán)腔右側(cè)整個葉間通道和尾部區(qū)域。且工況S100M20的摻混區(qū)域左側(cè)邊界線比工況S60M20對應(yīng)的左側(cè)邊界線更靠近主氣流進(jìn)口。這是因?yàn)?，在工況M20中主氣流進(jìn)口速度較小，動量較低。二次射流進(jìn)口速度較大，高溫燃?xì)鈩恿枯^大。高溫燃?xì)饽軌虼┩溉~間通道內(nèi)的主氣流，與葉間通道底部的低溫空氣發(fā)生稀釋摻混作用，使整個葉間通道內(nèi)主氣流溫度都升高。與工況S60M20相比，工況S100M20二次流進(jìn)口速度更大，高溫燃?xì)鈱θ~間通道內(nèi)主氣流穿透作用更強(qiáng)，因此摻混區(qū)域左側(cè)邊界更加靠近主流入口。然而在工況S60M100中，在葉間通道內(nèi)，高溫區(qū)域僅僅分布在葉間通道上壁面附近。其它大部分區(qū)域溫度比較接近主氣流入口溫度800K。這是因?yàn)樵诠rS60M100中，主氣流速度較大，二次射流進(jìn)口速度相對較小。高溫燃?xì)鈩恿枯^小，對葉間通道內(nèi)主氣流的穿透作用較弱。使高溫燃?xì)鈳缀蹙o貼葉間通道上壁面流出燃燒室。導(dǎo)致葉間通道下面大部分主氣流幾乎未參與到高溫燃?xì)獾南♂寭交爝^程中。以較低的溫度直接排出燃燒室。對比各種工況可發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象隨著S增大，M減小而減弱甚至消失。
5 結(jié)論
本文利用FLUENT軟件數(shù)值模擬了不同主流、二
下轉(zhuǎn)P70頁
賈譯鈞（1989-），男，四川省南充人，碩士研究生學(xué)歷，沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院在讀，主要研究方向：燃燒流動模擬與仿真。
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