于 雷，王成軍，趙冬凱，劉愛(ài)虢

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

中心分級(jí)燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)的大渦模擬

于 雷，王成軍，趙冬凱，劉愛(ài)虢

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

對(duì)中心分級(jí)燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行大渦模擬，研究主燃級(jí)葉片安裝角對(duì)流場(chǎng)中大尺度湍流結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的影響，亞格子尺度湍流及其對(duì)大尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響使用動(dòng)態(tài)Smagorinsky渦黏模型描述。結(jié)果顯示：流場(chǎng)縱向截面上渦量云圖揭示了流場(chǎng)上游出現(xiàn)內(nèi)外兩層渦結(jié)構(gòu)，分別發(fā)源于文氏管尾緣和套筒末端，隨旋流強(qiáng)度增加，渦層徑向尺寸變寬，中心回流區(qū)長(zhǎng)度縮短。主燃級(jí)葉片安裝角從20°增加到40°時(shí)，流場(chǎng)上游角渦顯著減少。下游低壓核心與流線束環(huán)繞中心重合且偏離軸心，并在流場(chǎng)中下游產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)渦核。中心軸線上的軸向速度功率譜密度表明，隨著葉片安裝角增加，渦核進(jìn)動(dòng)頻率升高。

中心分級(jí)旋流器；大渦模擬；Q準(zhǔn)則；進(jìn)動(dòng)渦核

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中經(jīng)常通過(guò)鈍體或旋流的方式形成回流區(qū)來(lái)組織燃燒并穩(wěn)定火焰，分層旋流燃燒可以提高燃料與空氣的混合效率，增強(qiáng)火焰的穩(wěn)定性和提高燃燒效率。旋流燃燒室中的流動(dòng)處于強(qiáng)湍流狀態(tài)，流動(dòng)發(fā)展過(guò)程中常出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如渦破碎和渦進(jìn)動(dòng)等[1]，是典型的非定常流動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)行為對(duì)燃料混合效率、火焰穩(wěn)定、燃燒效率、污染物排放等有重大影響。因此研究燃燒室中旋流不穩(wěn)定現(xiàn)象具有重要的工程應(yīng)用意義。

通過(guò)數(shù)值模擬方法獲得燃燒室內(nèi)的流動(dòng)特性來(lái)研究旋流器旋流強(qiáng)度變化對(duì)流動(dòng)的影響得到廣泛應(yīng)用。雷諾平均方法(RANS)對(duì)流動(dòng)的控制方程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均來(lái)建立模型，忽略各尺度的湍流脈動(dòng)情況，只能得到關(guān)于湍流的平均信息。在新出現(xiàn)的大渦模擬(LES)中，根據(jù)計(jì)算網(wǎng)格尺度，對(duì)流場(chǎng)中湍流結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)濾。對(duì)數(shù)值模擬中小于網(wǎng)格尺度的湍流脈動(dòng)建立模型，進(jìn)而能捕捉到流場(chǎng)中振蕩、渦破碎、渦進(jìn)動(dòng)等非定常流動(dòng)信息。

大渦模擬已經(jīng)在湍流絕熱旋流的研究中得到應(yīng)用，并建立了多種關(guān)于冷態(tài)熱態(tài)旋流場(chǎng)進(jìn)動(dòng)和不穩(wěn)定性模型。Syred N 等人[2]使用Strouhal數(shù)和幾何旋流數(shù)對(duì)絕熱旋流的進(jìn)動(dòng)和不穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。秦皓等人[3]的實(shí)驗(yàn)研究了旋流器出口的流動(dòng)特點(diǎn)和流場(chǎng)對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)。張濟(jì)民等人[4-6]比較全面地研究了悉尼旋流器的流場(chǎng)，捕捉到進(jìn)動(dòng)渦核PVC(Precessing Vortex Core)出現(xiàn)在剪切層的下游。當(dāng)旋流強(qiáng)度增加時(shí)，冷態(tài)流場(chǎng)回流區(qū)長(zhǎng)度沒(méi)有明顯變化，渦破碎開(kāi)始發(fā)生的位置向上游移動(dòng)，進(jìn)動(dòng)渦核的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度沿流向逐漸減弱。鄭韞哲[7]研究燃燒室內(nèi)的流動(dòng)及燃料空氣混合時(shí)，發(fā)現(xiàn)渦團(tuán)破碎程度和速度的增加推動(dòng)燃料空氣混合比較好的區(qū)域向上游移動(dòng)，提高了全流場(chǎng)的燃料空氣混合程度。Ranga Dinesh等人[8]研究了4個(gè)旋流數(shù)對(duì)悉尼旋流器流場(chǎng)的影響，捕捉到中心射流進(jìn)動(dòng)的低頻振蕩，葉片安裝角增大，渦破碎的區(qū)域向下游移動(dòng)，回流區(qū)剪切層的不穩(wěn)定性增加。朱宇等人[9]的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉片安裝角增大回流區(qū)長(zhǎng)度減小。Shanwu Wang等人[10-12]系統(tǒng)地研究了二級(jí)旋流器內(nèi)部及其出口未受限的流場(chǎng)，比較了兩個(gè)不同旋流數(shù)時(shí)流場(chǎng)的差異；兩級(jí)葉片反向比起同向的情況，流場(chǎng)的中心回流區(qū)長(zhǎng)度更短，剪切層強(qiáng)度更大，霧化效果更好。

本文對(duì)一種中心分級(jí)旋流器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行大渦模擬，主要討論這種旋流器主燃級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

1 物理模型和計(jì)算方法

1.1 中心分級(jí)旋流器簡(jiǎn)介

中心分級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)包括值班級(jí)(第1級(jí)徑向葉片、第2級(jí)徑向葉片)、主燃級(jí)徑向葉片、文氏管、套筒。其中值班級(jí)包括兩級(jí)徑向旋流器，1級(jí)旋流器主要作用是使噴嘴噴出打在其內(nèi)表面的燃油顆粒進(jìn)行二次霧化，其葉片安裝角為45°，旋向沿進(jìn)氣方向?yàn)轫槙r(shí)針；2級(jí)旋流器作用是形成穩(wěn)定回流區(qū)，以便穩(wěn)定燃燒，其葉片安裝角為45°，旋向與1級(jí)旋流器旋向相反；主燃級(jí)處在值班級(jí)的外層，空氣通過(guò)主燃級(jí)徑向葉片再形成一股旋轉(zhuǎn)氣流，滿足大工況下燃油所需的空氣量，旋向與2級(jí)旋流器相同。

圖1 旋流器簡(jiǎn)圖

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 大渦模擬LES(Large Eddy Simulation)

大渦模擬[14]通過(guò)建立濾波函數(shù)，把尺度比濾波函數(shù)尺度小的渦從湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方程中過(guò)濾掉，實(shí)際的湍流運(yùn)動(dòng)分解成可直接計(jì)算的大尺度湍流運(yùn)動(dòng)和小尺度脈動(dòng)。通過(guò)建立亞格子應(yīng)力模型來(lái)模化小尺度渦對(duì)大渦運(yùn)動(dòng)的影響。常用的濾波函數(shù)有3種：譜空間低通過(guò)濾、高斯過(guò)濾和盒式過(guò)濾，其中盒式過(guò)濾由于其過(guò)濾量處在單元中心而更符合有限體積的計(jì)算思想，被采用有限體積法的算法所采納。

本文研究的流動(dòng)情況進(jìn)口是常溫常壓下的空氣，進(jìn)氣速度較低，屬于不可壓縮流動(dòng)。采用空間盒式過(guò)濾器過(guò)濾Navier-Stokes方程后，得到以下大尺度流動(dòng)的方程：

(1)

(2)

1.2.2 渦黏模型

本文采用Smagorinsky渦黏模型?；瘉喐褡映叨攘鲃?dòng)及其對(duì)大尺度湍流的影響，即

(3)

(4)

式(4)中：模型系數(shù)CS由局部動(dòng)態(tài)模型[13]計(jì)算得到，較好地反映湍流的瞬時(shí)和局部動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

1.3 網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算時(shí)取環(huán)形燃燒室一個(gè)單元段，并以矩形代替扇形，這一近似是可靠的[15]。為消除壁面對(duì)旋流器流場(chǎng)的影響，燃燒室取較大的計(jì)算區(qū)域，截面邊長(zhǎng)90 mm，軸向200 mm。坐標(biāo)原點(diǎn)在旋流器上游底圓中心?？紤]到要在復(fù)雜的旋流器內(nèi)部幾何空間中流動(dòng)數(shù)值模擬來(lái)獲得接近真實(shí)的流動(dòng)情況，對(duì)旋流器的內(nèi)部空間采用Tet/Hybrid網(wǎng)格；燃燒室是單一的立方體結(jié)構(gòu)，采用Tet網(wǎng)格。最終，網(wǎng)格總數(shù)為324萬(wàn)，整體網(wǎng)格模型如圖 2所示。

1.4 邊界條件定義及計(jì)算

在Fluent中求解瞬時(shí)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，粘性模型使用Large Eddy Simulation，流場(chǎng)介質(zhì)為空氣，旋流器進(jìn)口速度給定10 m/s，燃燒室出口采用壓力出口。壓力-速度耦合求解采用SIMPLE算法，空間離散方法選取二階迎風(fēng)格式，并監(jiān)控中心軸線上Z=90、120、150、180、210、240 mm 6個(gè)點(diǎn)的軸向速度。以標(biāo)準(zhǔn)初始化方式從速度進(jìn)口計(jì)算。求解時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s，總共的時(shí)間步數(shù)2 000，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為2 s的流動(dòng)情況，保證流場(chǎng)在計(jì)算時(shí)間內(nèi)獲得充分發(fā)展，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)最大迭代20次。

圖2 劃分網(wǎng)格結(jié)果

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 渦結(jié)構(gòu)

由于在順流和回流分界處存在剪切層，引起回流區(qū)的邊界產(chǎn)生一層漩渦，所以這個(gè)漩渦層指示了回流區(qū)邊界和剪切層的位置。

圖3顯示了4個(gè)旋流強(qiáng)度下各流場(chǎng)縱切面上的渦量分布云圖，旋流器出口擴(kuò)張平面下游出現(xiàn)的內(nèi)外兩層大尺度渦結(jié)構(gòu)中，大渦量值的渦結(jié)構(gòu)分別發(fā)源于文氏管尾緣和套筒末端，這兩處的渦是由這些位置的剪切層受到軸向和切向的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性作用而引起，隨后這些渦結(jié)構(gòu)被對(duì)流到下游，并與周?chē)黧w相互作用能量耗散最終消失，而且渦量劇烈衰減的位置隨旋流強(qiáng)度增加逐漸向上游收縮。

在流場(chǎng)中上游，渦破碎引起了中心回流區(qū)的建立，內(nèi)渦層內(nèi)側(cè)低渦量值的渦結(jié)構(gòu)顯示的正是中心回流區(qū)邊緣，這里的漩渦層在流動(dòng)中翻滾拉伸最終破裂成小的渦泡。強(qiáng)烈的旋流在徑向方向上建立了很大的壓力梯度，并繞著中心軸線誘導(dǎo)出一個(gè)低壓區(qū)，切向速度隨著旋流強(qiáng)度增加，需要更大的低壓區(qū)來(lái)平衡離心力，這就是流場(chǎng)旋流強(qiáng)度增加時(shí)中心回流區(qū)徑向變寬的原因[16]，表現(xiàn)在圖中就是內(nèi)渦層徑向尺寸變寬?；亓鲄^(qū)阻塞效應(yīng)的存在，減小了燃燒室內(nèi)有效流動(dòng)通道的截面積，導(dǎo)致順流區(qū)的流動(dòng)速度增加，剪切層強(qiáng)度增加。

圖3 X-Z平面上瞬時(shí)渦量分布

朱宇等人[7]的文章認(rèn)為中心回流區(qū)長(zhǎng)度隨葉片安裝角的增加向上游縮短。結(jié)合表 1可知該旋流器的中心回流區(qū)長(zhǎng)度同樣隨著角度的增加逐漸縮短。在實(shí)際應(yīng)用中為了使燃燒室出口溫度分布滿足渦輪葉片對(duì)溫度要求，避免渦輪前溫度分布不合理，造成渦輪葉片根部和葉稍熱應(yīng)力急劇增加，損壞葉片或降低葉片壽命，要求燃燒火焰要最短，燃燒室流場(chǎng)中，在保證燃燒穩(wěn)定完全的情況下，使回流區(qū)長(zhǎng)度盡量短。通過(guò)以上討論，增大主燃級(jí)葉片安裝角是實(shí)現(xiàn)要求的方法之一，但旋流強(qiáng)度太強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致回流區(qū)過(guò)短使熱態(tài)流場(chǎng)發(fā)生回火。為了達(dá)到回流區(qū)的風(fēng)速要求，冷態(tài)流場(chǎng)回流區(qū)主體要有合適的長(zhǎng)度，保證火焰的穩(wěn)定而且不發(fā)生回火。

表1 中心回流區(qū)軸向長(zhǎng)度

從中心回流區(qū)到文氏管內(nèi)的渦旋在管內(nèi)也形成強(qiáng)烈的剪切層。當(dāng)噴嘴滿負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，部分燃料會(huì)噴射到文氏管內(nèi)表面形成一層薄膜，在強(qiáng)烈的剪切層作用下，這層薄膜上使其霧化破裂，促進(jìn)燃料完全霧化燃燒。旋流器出口截面突擴(kuò)，四周的流體由于卷吸效應(yīng)的負(fù)壓形成角落回流區(qū)。角落回流區(qū)受主燃級(jí)葉片角度影響顯著，旋流在離心力的作用下快速膨脹向外流動(dòng)，旋流越強(qiáng)流體膨脹流動(dòng)越快，再加上外渦層徑向尺寸擴(kuò)大，結(jié)果使角落回流區(qū)急劇減小。

2.2 擬序結(jié)構(gòu)

2.2.1 渦結(jié)構(gòu)的Q準(zhǔn)則計(jì)算方法

Q準(zhǔn)則是速度梯度張量的二次不變量，定義式是：

Q=(ΩijΩij-SijSij)/2

式中：Sij和Ωij分別是速度梯度張量中的對(duì)稱張量和反對(duì)稱張量。二者定義式如下：

Sij=(uij+uji)/2

Ωij=(uij-uji)/2

Q表示轉(zhuǎn)動(dòng)速率的ΩijΩij大過(guò)應(yīng)變率SijSij的程度。在Q>0的位置，轉(zhuǎn)動(dòng)速率ΩijΩij占主導(dǎo)地位，即在該區(qū)域渦旋結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位。

分別使用渦核與Q準(zhǔn)則來(lái)捕捉流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)。渦核是與擬序結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的物理量，其計(jì)算方法有兩種：渦向量法和速度梯度特征值法，后一種計(jì)算方法復(fù)雜，但能減少偽渦核得到更真實(shí)的渦核分布，本文就選用這種方法來(lái)提取。圖4上部分是渦核的分布，下部分是渦核與Q準(zhǔn)則疊加的情況，取值Q=100 000。圖4中顯示Q準(zhǔn)則等值面很好地包圍了渦核，說(shuō)明這兩種識(shí)別渦分布的方法有效。主燃級(jí)葉片角度越小時(shí)，流場(chǎng)中上游部分的渦旋結(jié)構(gòu)越豐富，尤其在角落回流區(qū)附近的渦旋明顯增多。隨著葉片角度增加，角落回流區(qū)的渦旋結(jié)構(gòu)顯著減少，說(shuō)明主燃級(jí)角度改變對(duì)旋流器出口擴(kuò)張平面處的流場(chǎng)影響顯著，不但角落回流減小，渦結(jié)構(gòu)也減少。葉片角度大于等于40°時(shí)，比較圖4中虛線橢圓所指示的渦結(jié)構(gòu)，隨旋流強(qiáng)度增加渦結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)育規(guī)則并向下游生長(zhǎng)伸長(zhǎng)，而且葉片角度在從20°增加到40°過(guò)程中，流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)有重大變化，下游渦結(jié)構(gòu)顯著減少。

圖4 渦核分布與Q準(zhǔn)則等值面

中下游軸線附近的渦不同于上游渦團(tuán)，它有明顯的周期性振蕩特性，是進(jìn)動(dòng)渦核(PVC)。進(jìn)動(dòng)渦旋的典型特征是周?chē)牧黧w繞著渦核旋轉(zhuǎn)，渦核又另外繞自身的渦軸。Syred文中[2]指出PVC不僅有以上兩個(gè)特征，而且渦軸處切向速度為零。本文以這些特征來(lái)識(shí)別中下游的PVC。圖5上面顯示的是流場(chǎng)中Z=240 mm橫截面上的瞬時(shí)壓強(qiáng)與流線疊加圖，下面是切向速度云圖。該平面上流線束環(huán)繞中心與低壓核心均偏離燃燒室軸心且基本重合，實(shí)際流動(dòng)中二者不能完全重合是流體不穩(wěn)定變形和粘性引起的。而且當(dāng)葉片安裝角大于等于40°時(shí)低壓核心處的速度云圖均顯示是零，綜合以上特征表明中下游的渦是PVC。

圖5 瞬時(shí)壓力云圖與流線疊加圖以及切向速度云圖

渦核進(jìn)動(dòng)會(huì)引起周?chē)鲌?chǎng)物理量的周期性變化。監(jiān)測(cè)變化的物理量并作做傅里葉分析即可確定附近流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)是否有特定的周期性。本文對(duì)燃燒室中心軸線上Z=90、120、150、180、210、240 mm共6個(gè)點(diǎn)的軸向速度做傅里葉變換得到各點(diǎn)的功率譜密度PSD(Power Spectral Density)如圖 6所示。主燃級(jí)葉片20°時(shí)的PSD圖表明特征峰存在的軸向空間很小，結(jié)合圖 5中低壓核切向速度不為零的情況得知在20°流場(chǎng)中下游沒(méi)有進(jìn)動(dòng)的渦結(jié)構(gòu)。主燃級(jí)葉片角度大于等于40°時(shí)，流場(chǎng)從Z=150mm的位置開(kāi)始出現(xiàn)各自的特征峰，各流場(chǎng)特征峰所對(duì)應(yīng)的特征頻率依次是f=31、35、38 Hz。在Shanwu Wang等[11]的文中，旋流強(qiáng)度加大時(shí)，對(duì)壓力波動(dòng)監(jiān)測(cè)的頻譜圖上顯示低頻成分顯著增加。而在本文的旋流器幾何結(jié)構(gòu)條件下，主燃級(jí)葉片角度增加對(duì)下游渦結(jié)構(gòu)的進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的影響是使進(jìn)動(dòng)頻率上升。而圖中的低頻振蕩可能是由于順流與回流之間的渦層破碎成小渦泡引起的。

圖6 燃燒室中心軸線上6個(gè)點(diǎn)的軸向速度功率譜密度(PSD)

特征峰強(qiáng)度在流場(chǎng)中出現(xiàn)與衰減消失的位置指示了PVC的軸向長(zhǎng)度，安裝角40°時(shí)PVC終結(jié)于燃燒室內(nèi)部，60°、80°時(shí)則一直影響到燃燒室出口。 進(jìn)動(dòng)會(huì)影響流場(chǎng)的特性，一定強(qiáng)度的渦結(jié)構(gòu)進(jìn)動(dòng)能促進(jìn)燃料空氣以及熱態(tài)流場(chǎng)中高活化能組分混合，加強(qiáng)燃燒器中大尺度湍流可以提高燃燒效率，熱態(tài)流場(chǎng)中一定頻率的進(jìn)動(dòng)可能與燃燒室內(nèi)的聲波產(chǎn)生耦合共振，改變火焰結(jié)構(gòu)影響燃燒室的釋熱行為，造成燃燒不穩(wěn)定。流場(chǎng)內(nèi)的有規(guī)則行為也可能會(huì)與機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生共振減損發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。在實(shí)際設(shè)計(jì)燃燒室時(shí)，為保證燃燒的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免流場(chǎng)中PVC的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

本文采用大渦模擬的渦黏模型對(duì)中心分級(jí)旋流器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了主燃級(jí)葉片安裝角對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

(1)流場(chǎng)縱向截面上渦量分布揭示了流場(chǎng)中內(nèi)外兩層高能量渦分別發(fā)源于文氏管尾緣和套筒后緣，內(nèi)外兩渦層隨旋流強(qiáng)度增加而徑向變寬，中心回流區(qū)軸向長(zhǎng)度減小。外渦層向燃燒室上游擴(kuò)張平面靠近，角落回流區(qū)受到越來(lái)越明顯的抑制。

(2)渦核與Q=100 000的等值面捕捉到流場(chǎng)中的大尺度渦結(jié)構(gòu)。顯示主燃級(jí)葉片安裝角從20°增加到40°的過(guò)程中流場(chǎng)發(fā)生了顯著變化，中下游大尺度湍流結(jié)構(gòu)減少且開(kāi)始組織出規(guī)則的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張平面附近的渦旋結(jié)構(gòu)劇烈減少。

(3)葉片安裝角度大于等于40°時(shí)，Z=240 mm平面上的流線圖、壓力云圖、切向速度云圖中流線環(huán)繞中心、低壓核心、零切向速度位置重合且偏離幾何中心，說(shuō)明中下游出現(xiàn)了進(jìn)動(dòng)渦核。

(4)軸向速度的功率譜密度圖表明進(jìn)動(dòng)渦核從Z=150 mm的位置處開(kāi)始出現(xiàn)，且進(jìn)動(dòng)頻率隨主燃級(jí)旋流強(qiáng)度增加而升高。

[1]LUCCA-NEGRO O,O′DOHERTY T.Vortex breakdown:a review[J].Progress in Energy and Combustion Science,2001,27(4):431-481.

[2]SYRED N,BEER JM.Combustion in swirling flows:a review[J].Combust Flame,2009，23(2)：143-201.

[3]秦皓，丁志磊，林宇震，等.同心分級(jí)旋流結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2015,30(4):793-799.

[4]張濟(jì)民，張宏達(dá)，韓超，等.分層旋流燃燒器冷態(tài)流場(chǎng)的大渦模擬.[J]航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2015,29(10):2369-2376.

[5]張濟(jì)民，韓超，張宏達(dá)，等.鈍體繞流中回流區(qū)與進(jìn)動(dòng)渦核的大渦模擬.[J]推進(jìn)技術(shù),2014,35(8):1070-1079.

[6]張宏達(dá)，張濟(jì)民，韓超，等.大渦模擬鈍體有旋流流場(chǎng)的擬序結(jié)構(gòu).[J]航空學(xué)報(bào),2014,35(7):1854-1864.

[7]鄭韞哲,朱民,姜羲.旋流預(yù)混燃燒室流動(dòng)混合的大渦模擬[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2012,27(1):33-40.

[8]K K J RANGA DINESH,M P KIRKPATRICK.Study of jet precession,recirculation and vortex breakdown in turbulent swirling jets using LES[J].Computers & Fluids，2009，38(5)：1232-1242.

[9]朱宇，張群，徐華勝，等.軸向旋流器幾何對(duì)回流區(qū)的影響.[J]航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2014,29(11):2684-2693.

[10]SHANWU WANG,VIGOR YANG,GEORGE HSIAO,et al.Large-eddy simulations of gas-turbine swirl injector flow dynamics[J].Fluid Mech,2007,583(9):99-122.

[11]SHANWU WANG,SHIH-YANG HSIEH,VIGOR YANG.Numerical simulation of gas turbine swirl-stabilized injector dynamics[R].AIAA-2001-0334,2001.

[12]SHANWU WANG,VIGOR YANG.Modeling of gas turbine swirl cup dynamics,part 5:Large eddy simulation of cold flow[R].AIAA-2003-485,2003.

[13]YING HUANG,VIGOR YANG.Swirling flow structures and flame characteristics in a lean-premixed combustor[R].AIAA-2004-978,2004.

[14]張兆順，崔桂香，許春曉.湍流大渦數(shù)值模擬的理論和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[15]JONG-CHAN KIM,HONG-GYE SUNG,DAI-KI MIN,et al.Large eddy simulation of the turbulent flow field in a swirl stabilized annular combustor[R].AIAA-2009-645,2009.

[16]KIRAN MANOHARAN,SAMUEL HANSFORD,JACQUELINE O′CONNOR,et al.Instability Mechanism in a swirl flow combustor precession of vortex core and influence of density gradient[C].Proceedings of ASME Turbo Expo 2015:Turbine Technical Conference and Exposition,GT2015-42985.

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

Large-eddy simulation of non-reacting flow in a central staged combustor

YU Lei,WANG Cheng-jun,ZHAO Dong-kai,LIU Ai-guo

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Large-eddy simulation (LES) was used to explore non-reacting flow fields of the central staged combustor and investigate effects of the vane angle of swirler primary stage on the large-scale flow structures.Smagorinsky eddy viscosity model was used to describe sub-grid turbulence flow and its influences on the large-scale flow structures.The contours of transient vorticity magnitude on x-z plane show that there are two vortex layers in upstream of the flow field.The inside layer derives from the end of the venturi and the outside one from the outer tube tail.With the increase of swirl strength,radial distance of the two vortex layers becomes larger,and the axial length of center recirculation zone is reduced.The upstream corner vortex is significantly decreased when the vane angle increases from 20° to 40°.In downstream,the position of low pressure core and the streamline surrounded center overlaps.The overlap region deviates from the axis of chamber,and precessing vortex core generates in downstream of flow field.The axial velocity power spectrum density on the chamber axis shows that precessing frequency of the vortex rises with the increase of angle.

central staged swirler;large-eddy simulation;Q criterion;precessing vortex core

2017-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51476106)；遼寧省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2015020639)

于雷(1993 - )，男，遼寧撫順人，碩士研究生，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)，E-mail：1243892925@qq.com；王成軍(1967- )，男，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)，E-mail:wangchengjun22@sina.com。

2095-1248(2017)03-0043-07

V231.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.006