魏佳加，曾卓雄，徐義華

(1.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，南昌　330063;2.上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院，上海　200090)

?

擾流片對駐渦燃燒室性能影響的研究

魏佳加1，曾卓雄2，徐義華1

(1.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，南昌330063;2.上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院，上海200090)

為了研究含擾流片的駐渦燃燒室燃燒及內(nèi)部流動性能，對不同擾流片的個數(shù)和進口速度的燃燒室的燃燒情況進行數(shù)值模擬，分析燃燒室燃燒時的流場分布、溫度分布、總壓損失以及燃燒效率。結(jié)果表明：擾流片能夠增強燃氣的摻混和熱交換，可以極大的提高燃燒室的燃燒效率(最高可達99.99%)，改善出口溫度分布；隨著擾流片個數(shù)和入口速度的增加，總壓損失和燃燒效率都逐漸增大；當擾流片為四個時，燃燒室流場穩(wěn)定，燃燒效率高且溫度分布均勻。

駐渦燃燒室；擾流片；雙旋渦；數(shù)值模擬

本文引用格式：魏佳加，曾卓雄，徐義華.擾流片對駐渦燃燒室性能影響的研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(8):164-168.

燃燒室是燃氣渦輪發(fā)動機的核心部件,為了滿足高性能低污染要求，美國空軍研究所(AFRL)和通用發(fā)動機(GEAE)公司于20世紀90年代提出了駐渦燃燒室(Trapped Vortex Combustor，TVC)的概念，目前已經(jīng)發(fā)展到第4代。

多年來，國內(nèi)外開展了很多研究，獲得了很多有價值的研究成果：如有關(guān)駐渦區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[1-3]、駐渦區(qū)油氣進入方案[4-5]、預(yù)混燃燒特性等等[6]。這些研究揭示了駐渦燃燒室的結(jié)構(gòu)和性能特點，為駐渦燃燒室的設(shè)計和應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也證明了駐渦燃燒室具有結(jié)構(gòu)簡單、貧富油極限寬、高空再點火性能優(yōu)越，可在更寬廣的油氣范圍內(nèi)保持高燃燒效率等優(yōu)點。駐渦區(qū)的特性對燃燒室性能有重要影響，特別是駐渦區(qū)渦系特點，駐渦區(qū)內(nèi)主要存在2個渦，分別為主渦和副渦，為了實現(xiàn)駐渦區(qū)中形成理想的雙渦結(jié)構(gòu)，需要駐渦區(qū)前后壁的進氣速度比的恰當匹配，或者依靠凹腔后壁面得到噴射來形成[7-8]，而不同的燃燒室結(jié)構(gòu)對應(yīng)的速度比不同，應(yīng)用起來非常不方便。Agarwal等[9]提出了將導(dǎo)流片與TVC結(jié)合的概念，通過將部分主流氣體引入凹腔，可方便地形成穩(wěn)定的雙渦結(jié)構(gòu)。但是研究發(fā)現(xiàn)，僅存在導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的駐渦燃燒室的燃燒效率較低。

為了提高燃燒室的燃燒效率等性能，在前人研究的基礎(chǔ)上，在燃燒室內(nèi)部加入擾流片，通過改變導(dǎo)流片個數(shù)和燃燒室進口速度，對其內(nèi)部燃燒湍流流場進行數(shù)值模擬，研究燃燒室的性能。

1　幾何模型及計算條件

1.1幾何模型

燃燒室的三維幾何模型如圖1所示。燃燒室總長為300 mm，進口截面寬為120 mm，高H=50 mm，凹腔長度L=70 mm，凹腔高度B=70 mm，擾流片傾斜角度為45°。圖2為Z=30 mm的二維截面圖。圖2中b為導(dǎo)流片深入凹腔的長度，h為導(dǎo)流片與進口壁面的距離，l為導(dǎo)流片與凹腔前壁面的距離。

圖1　燃燒室?guī)缀文Ｐ?/p>

圖2　Z=30 mm維截面

1.2計算條件

數(shù)值模擬計算采用的是不可壓縮的N-S方程，模型采用Realizablek-ε湍流模型，近壁面使用標準的壁面函數(shù)法模擬，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項使用二階迎風差分格式，擴散項采用二階中心差分格式。燃燒室的進口邊界條件設(shè)為速度入口。出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力為101 325 Pa。空氣與甲烷預(yù)混燃燒，燃燒模型為通用有限速率模型，湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用模型為渦耗散模型(反應(yīng)速率由渦耗散模型確定)。

擾流片的個數(shù)記為M，每個擾流片的寬都為10 mm，整個燃燒室的當量比為0.6，初始溫度為300 K。導(dǎo)流片個數(shù)M取3個，4個,5個，7個和8個。進口速度選取分別25 m/s，50 m/s和75 m/s。

1.3算例驗證

為驗證本文計算的合理性，對含擾流片的駐渦燃燒室進行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與文獻[9]的實驗結(jié)果進行了對比。由圖3可知，計算結(jié)果與實驗值相對誤差為8%左右，差異很小，從而表明本文所用的數(shù)值模擬計算方法是可信的。

圖3　燃燒室出口平均溫度

2　計算結(jié)果與分析

為了驗證加入擾流片后對燃燒室性能的影響，在初始條件相同的情況下，對無擾流片TVC與含擾流片TVC進行對比研究。圖4為Z=30 mm截面溫度分布云圖，由圖可見，帶擾流片的燃燒室最高溫度低于不帶擾流片的燃燒室，但是，加入擾流片后燃燒室內(nèi)部溫度分布更加均勻，表明擾流片的引入能夠增加摻混，使燃燒更充分，更均勻。

圖4　溫度云圖對比

加入擾流片后駐渦燃燒室具有明顯的燃燒性能優(yōu)勢，但是擾流片的加入會帶來一部分總壓損失。燃燒效率與總壓損失的對比見圖5，由圖可以看出，加入擾流片后燃燒室的總壓損失從4.4%增加到7.7%，燃燒效率從69.33%增加到99.8%。充分說明加入擾流片后起到增強摻混的作用。

為了進一步說明擾流片增強燃料摻混的作用，對加入四個擾流片和不加擾流的燃燒室的凹腔部分采用場協(xié)同理論進行流動和傳熱性能分析。分析結(jié)果如圖5所示，對流換熱性能不僅僅取決于速度、溫差和流體物性，還取決于速度場與溫度場的協(xié)同情況，要強化換熱應(yīng)該盡量減小速度矢量和溫度梯度之間的夾角，即減小協(xié)同角，由圖4可以看出，加入擾流片后凹腔的協(xié)同角要比不加擾流片時低得多，也就是說加入擾流片后，燃燒室凹腔內(nèi)的流場與溫度場協(xié)同程度較佳，更有利于燃燒換熱。

圖5　有無擾流片對比

圖6　協(xié)同場分布

加入擾流片的駐渦燃燒室具有明顯的燃燒性能優(yōu)勢，但是擾流片的引入會帶來一部分總壓損失，擾流片的個數(shù)以及進口速度對燃燒室性能也有一定的影響。

2.1總壓損失

氣流流經(jīng)燃燒室時會產(chǎn)生流失損失，這不可避免地使氣流的總壓下降，影響燃氣的做功能力，從而影響發(fā)動機的性能。引入總壓恢復(fù)系數(shù)δ*，其計算公式為：

(1)

圖7所示為燃燒情況下燃燒室的總壓損失。由圖可見，擾流片不變時，速度越大，總壓損失越大，最小為2%。速度一定時，擾流片個數(shù)越多，總壓損失也越大。這是因為進口速度越大，進氣與燃燒室內(nèi)主流之間的混合損失增大。另外隨著擾流片個數(shù)的增加，氣流通過擾流片時，產(chǎn)生的附加壓力損失也隨之增大。因此應(yīng)盡量降低入口速度，在入口速度為25m/s時，隨著擾流片個數(shù)的增加，總壓損失從2%增加到6.7%。

圖7　不同M下總壓損失變化

2.2燃燒效率

燃燒效率的定義為:

(2)

式中:Yin為進口處燃料的質(zhì)量分數(shù)，Yout為出口處未燃燒燃料的質(zhì)量分數(shù)。

不同工況下燃燒效率的變化規(guī)律如圖8所示。由圖可知，隨著速度和擾流片的增加，燃燒效率都呈增大趨勢，最低出現(xiàn)在入口速度為75 m/s，擾流片個數(shù)為3個時，為90%，速度不變，當擾流片個數(shù)增加到7個時，燃燒效率增大到99.99%。這是由于，一方面隨著擾流片的增加，凹腔內(nèi)形成穩(wěn)定的雙渦結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的點火源；另一方面，擾流片能使流過燃燒通道的主流氣體和底部產(chǎn)生的熱燃氣更好更快地摻混,從而提高燃燒室的燃燒性能。這也證明擾流片確實可以提高燃燒室的燃燒效率。

圖8　不同M下燃燒效率的變化

2.3速度流場分析

為了方便研究擾流片對燃燒室內(nèi)部流場的影響，取進口速度為50 m/s,圖9為不同擾流片個數(shù)下Z=30 mm截面速度流場分布?？梢钥闯?，對于不同的擾流片個數(shù)M，除了M=3時，沒有形成穩(wěn)定的雙渦結(jié)構(gòu)外，其他情況下，凹腔內(nèi)均形成兩個穩(wěn)定的駐渦，主渦位于凹腔底部，渦心基本居于凹腔中心位置，可見擾流片個數(shù)對凹腔內(nèi)的的主渦的形成影響不大。

副渦靠近擾流片，隨著擾流片個數(shù)的增加，靠近擾流片處氣流速度增大，造成旋渦強度越大,渦旋轉(zhuǎn)越快,這將有利于燃料的快速、均勻摻混，從而提高燃燒室的燃燒效率和使燃燒室溫度分布更加均勻。

圖9　不同M下Z=30 mm截面速度流場分布

2.4燃燒室溫度分布

速度為50 m/s時，燃燒室Z=30 mm截面溫度分布如圖10所示，擾流片對溫度分布影響不大。燃燒室內(nèi)高溫區(qū)域主要集中在凹腔內(nèi)部以及燃燒室中后段，以及靠近擾流片部分，這說明燃燒主要發(fā)生在凹腔及靠近擾流片處。在凹腔中心回流區(qū)形成一個高溫區(qū)，在這個區(qū)域主渦形成穩(wěn)定的點火源，產(chǎn)生穩(wěn)定的值班火焰。副渦在擾流片下方，與擾流片起到增強摻混的效果，使得燃燒更充分，溫度分布更加均勻。

當擾流片個數(shù)增加到8個時，可以明顯看出燃燒室溫度下降，這是由于隨著擾流片個數(shù)增加到8個時，由圖9可以看出，在擾流片下方已經(jīng)不能形成副渦，不能更好摻混。

因此，對本文來說，擾流片個數(shù)不能選取太大的值。

2.5湍動能分析

當速度為50 m/s時，燃燒室Z=30 mm截面湍動能分布如圖11所示，湍動能主要來源于時均流，通過雷諾切應(yīng)力做功給湍流提供能量。由圖11可以看出，擾流片下方湍動能最高，向凹腔和燃燒室后半部分逐漸減弱。

擾流片個數(shù)為4，5和6個時，燃燒室凹腔和擾流片下方湍動能分布比較均勻，高強度的湍動能區(qū)域主要集中在凹腔和擾流片下方。當擾流片個數(shù)大于7個時，湍動能繼續(xù)增大，凹腔內(nèi)的湍動能也很高，而較高的湍動能表示流動不平穩(wěn)，不利于凹腔內(nèi)火焰的穩(wěn)定駐留，因此擾流片個數(shù)不宜過多，總之，確定擾流片個數(shù)時應(yīng)該考慮湍動能的影響。

圖10　不同M下Z=30 mm截面溫度云圖

圖11　不同M下Z=30 mm截面湍動能分布

2.6出口溫度分布及NO排放

出口溫度分布對渦輪的工作環(huán)境和壽命影響很大,燃燒室出口溫度分布系數(shù)(OTDF)是衡量出口溫度分布好壞的重要指標，OTDF的數(shù)值常在0.25～0.35且越低越好，其公式如下：

(3)

其中：T4max為出口的最高溫度；T4ave為出口平均溫度；T3ave為進口平均溫度。

因此有必要對含擾流片TVC的出口溫度分布進行分析。擾流片個數(shù)M對燃燒室出口截面溫度分布的影響如圖12所示。由圖可知，燃燒室出口系數(shù)OTDF的值介于0.25～0.35，且隨著擾流片個數(shù)的增加先減小后增大。擾流片個數(shù)為3個時，OTDF為0.024 6。當擾流片個數(shù)較小時，擾流片不能配合副渦起到增強摻混和熱傳遞的作用，從而導(dǎo)致燃燒不充分，出口溫度分布不均勻，燃燒室出口系數(shù)OTDF較大。

圖12　不同擾流片個數(shù)下的OTDF

3　結(jié)論

本文對含擾流片的駐渦燃燒室進行了數(shù)值模擬，分析了不同進口速度和擾流片的個數(shù)對燃燒效率，總壓損失，湍動能的影響，得出以下結(jié)論：

1) 駐渦燃燒室引進擾流片后，明顯增強了摻混效果，并且有利于凹腔火焰的穩(wěn)定，大幅度提高燃燒效率，改善出口溫度分布。

2) 隨著擾流片個數(shù)的增加，燃燒效率越來越高，總壓損失越來越大,燃燒室出口溫度系數(shù)先降低再增加。

3) 進口速度對燃燒效率影響不大，但對于總壓損失影響特別大，因此對于含擾流片的駐渦燃燒室進口速度不宜過大。

4) 綜合分析考慮，存在一個使燃燒室綜合性能擾流片最優(yōu)個數(shù)，本文認為為4個。

[1]HSU K Y,GOSS L P,ROQUEMORE W M.Characteristics of a trapped vortex combustor[J].Journal of Propulsion and Power,1998,14(1)：57- 65.

[2]何小民,王家驊.駐渦火焰穩(wěn)定器冷態(tài)流場特性的初步研究[J].航空動力學(xué)報,2002,17(5):567 -571.

[3]BEN-YAKAR A,HANSON R K.Cavity f lame-holders f or ignition and f lamest abilization in scramjets:an overview[J].Journal of Propulsion and Power,2001,17(4):256 -270.

[4]ROQUEMORE W M,SHOUSE D,BURRUS D,et al.Trapped vortex combustor concept for gas turbine engines[J].AIAA-2001-0483.

[5]何小民,許金生,蘇俊卿.駐渦區(qū)進口結(jié)構(gòu)參數(shù)影響T VC燃燒性能的實驗[J].航空學(xué)報,2007,22(11):1798-1802.

[6]孫?？?，曾卓雄，徐義華，等 AVC 預(yù)混燃燒流動特性的數(shù)值模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(17):4843-4849.

[7]MEYER T R,BROWN M S,FONOV S,et al.Optical Diagnostics And Numerical Characterization Of A Trapped-vortex Combustor[R].AIAA2002-3863.

[8]STONE C,MENON S.Simulation of fuel—Air Mixing and Combustion in a Trapped—Vortex Combustor[R].AIAA2000-0478.

[9]AGARWAL K K,KRISHNA S,RAVIKRISHNA R V.Mixing Enhancement in a Compact Trapped Vortex Combustor[J].Combustion Science and Technology,2013,185(3):363-378.

(責任編輯楊繼森)

Effect of Inclined Struts on Trapped Vortex Combustor

WEI Jia-Jia1, ZENG Zhuo-xiong2, XU Yi-hua1

(1.School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China;2.College of Power and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

In order to investigate the combustion and flow characteristics of trapped vortex combustor(TVC) with inclined struts, the effects of different structural parameters on flow fields, temperature distribution, the total pressure loss, combustion efficiency and combustion efficiency were numerically studied. The results show that the inclined struts can enhance the mixing of gas and heat exchange，meanwhile it can greatly increase the combustion efficiency, and the best combustion efficiency is 99.99%, and improve the exit temperature distribution. With the number of inclined struts and velocity of inlet increase, total pressure losses and combustion efficiency are gradually increased；Stable combustor with high combustion efficiency and combustor temperature distribution becomes more uniform when the number of inclined struts is 4.

trapped vortex combustor；inclined struts；double-vortex；numerical simulation

；

國家自然科學(xué)基金項目(51066006，51266013)

魏佳加(1988—)，男，碩士研究生，主要從事航空工程研究。

10.11809/scbgxb2016.08.037

format:WEI Jia-Jia, ZENG Zhuo-xiong, XU Yi-hua.Effect of Inclined Struts on Trapped Vortex Combustor[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):164-168.

V231.2

A

2096-2304(2016)08-0164-05

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】