摘 要：為探討交叉射流燃燒室流場的特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)燃燒室二次流以不同射流角度而形成的三維交叉射流流場進(jìn)行了研究。從渦結(jié)構(gòu)及湍動(dòng)能的角度討論了其流場特征。研究表明：隨著二次流射流角度的增大，燃燒室頭部渦旋區(qū)先變大后變小，摻混區(qū)渦旋區(qū)逐漸變細(xì)長；湍動(dòng)能的最大值逐漸降低，湍流區(qū)域逐漸向壁面靠近，不利于油氣摻混，流場趨向不合理。

關(guān)鍵詞：交叉射流；對(duì)撞射流；湍動(dòng)能；數(shù)值模擬

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)合理的流場結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定傳播以及高效率燃燒。對(duì)燃燒室燃燒特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，數(shù)值模擬方法被廣大研究人員采用。Zeinivand等[1]用數(shù)值模擬方法比較了不同湍流模型和燃燒模型，并且還研究了對(duì)撞射流二次空氣射流股數(shù)和位置對(duì)射流穩(wěn)燃燃燒室燃燒特性和NOx排放的影響[2]。Watanable等[3，4]數(shù)值研究了通過交叉射流減低NOx排放的方法，結(jié)果表明二次氣流進(jìn)口速度越大，空氣和燃?xì)饣旌系迷胶?，并且高溫區(qū)會(huì)變窄，燃?xì)庠诟邷貐^(qū)駐留時(shí)間減少，NOx排放減低。由以上論述發(fā)現(xiàn)交叉射流特殊的流場結(jié)構(gòu)對(duì)燃料和空氣的摻混效果較好，文章基于文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的對(duì)撞射流燃燒室，結(jié)合文獻(xiàn)[3]中的交叉射流，研究燃燒室二次流射流角度對(duì)流場結(jié)構(gòu)的影響。

1 計(jì)算模型與計(jì)算工況

1.1 計(jì)算模型

燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)如圖1所示，部分尺寸參考文獻(xiàn)[2]，燃燒室總長400mm，直徑80mm，距離頭部壁面60mm處周向均布4個(gè)二次流噴管，燃油霧化采用射流式空氣霧化噴嘴，模型網(wǎng)格使用ICEM軟件所畫，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.6以上。

數(shù)值計(jì)算采用不可壓N-S方程，湍流模型采用the Realizable κ-？著模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法近壁面處理，壁面均設(shè)為無滑移邊界條件，燃燒室進(jìn)口邊界條件采用速度入口，出口邊界條件采用壓力出口。

1.2 計(jì)算工況

主要工況參數(shù)與文獻(xiàn)[2]一致，主流空氣流量為1.2kg/h，二次流流量為33.5kg/h。燃油從燃燒室頭部中心的空氣霧化噴嘴中噴入。圖2所示為角度示意圖，表1所示4種工況為二次流不同的射流角度（逆時(shí)針噴射）。其中軸向角度β固定為20°

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 流場分布規(guī)律

對(duì)于流場的分析，均取通過噴管中心的縱截面，即x=0處的對(duì)稱中心面。二次流不同噴射角度對(duì)流場分布規(guī)律的影響如圖3所示。

從圖3中可知，從z=0到z=60mm之間的頭部區(qū)域，由Case A 的對(duì)撞射流變化到Case B的交叉射流，頭部區(qū)域流場變化較大，Case A頭部出現(xiàn)兩對(duì)對(duì)稱小渦旋區(qū)，而Case B則變成一對(duì)大渦旋區(qū)。隨著角度變大，Case C 與Case D頭部渦旋區(qū)逐漸變小，并且渦旋中心向壁面靠近。在噴管后的摻混段，Case A中出現(xiàn)一對(duì)靠近壁面的渦旋區(qū)，低速的渦旋區(qū)能使燃油快速燃燒，因此在該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生局部高溫區(qū)，這對(duì)燃燒室壁面不利。而Case B中的一對(duì)渦旋區(qū)則靠近中心區(qū)域，旋流產(chǎn)生的氣流將渦旋區(qū)與壁面隔離，防止壁面被高溫燃?xì)鉄?。隨著角度逐漸變大，Case C 與Case D摻混區(qū)的渦旋區(qū)逐漸變細(xì)長，并且逐漸向壁面靠近，大部分氣流從中心流過，不利于油氣摻混及火焰穩(wěn)定燃燒。

2.2 湍動(dòng)能分析

圖4表示二次氣流不同噴射角度湍動(dòng)能分布圖，主要來源于時(shí)均流，通過雷諾切應(yīng)力做功給湍流提供能量。比較圖4各工況的湍動(dòng)能變化情況，湍動(dòng)能均沿軸線成對(duì)稱分布，隨著周向角度不斷增大，在x=0的縱截面上，高強(qiáng)度的湍動(dòng)能區(qū)域從對(duì)稱中心向壁面遷移。

3 結(jié)束語

通過改變二次流噴射角度，數(shù)值分析其對(duì)燃燒室流場產(chǎn)生的影響?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：（1）隨著二次流周向角度由0度增加到10度時(shí)，射流方式由對(duì)撞射流變?yōu)榻徊嫔淞?，燃燒室頭部渦旋區(qū)范圍變大，摻混區(qū)渦旋變寬，然而湍動(dòng)能的最大值降低，湍流區(qū)域逐漸向壁面靠近。（2）當(dāng)二次流周向角度由10度增加到30度時(shí)，燃燒室頭部渦旋區(qū)范圍逐變小，摻混區(qū)渦旋變細(xì)長，湍動(dòng)能的最大值逐漸減低，湍流區(qū)域逐漸向壁面靠近，不利于油氣摻混，流場趨向不合理。

參考文獻(xiàn)

[1]Tehrani F B，Zeinivand H. Presumed PDF modeling of reactive two-phase flow in a three dimensional jet-stabilized model combustor[J]. Energy Conversion and Management，2010，51（1）：225-234.

[2]Zeinivand H，Tehrani F B. Influence of stabilizer jets on combustion characteristics and NOx emission in a jet-stabilized combustor[J]. Applied Energy，2012，92：348-360.

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