王超

摘 要：本文采用大渦模擬模計算方法對某型發(fā)動機燃燒室的點火過程的進行了數(shù)值模擬，模擬了電火花形成高溫火團后的火焰?zhèn)鞑サ娜紵^程。通過分析數(shù)值模擬的結(jié)果認為燃燒室內(nèi)的空氣流場與燃油霧化的油霧相互作用會影響燃燒室點火性能。

關(guān)鍵詞：環(huán)形燃燒室；大渦模擬；點火過程

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0029-02

1 引言

點火是所有航空燃氣輪機正常工作的關(guān)鍵步驟，航空發(fā)動機的高空再點火能力，是發(fā)動機設(shè)計的一個重要約束[1]。一個成功的點火過程通常分為三個階段[2]：第一階段是形成一個足夠尺寸和足夠溫度的有傳播能力的核心火團。這一階段的成敗主要取決于火花的能量和持續(xù)時間，以及在火花電極間隙附近油氣混合物的紊流度和油氣比。第二階段是該核心火團點燃點火器對應頭部的主燃區(qū)，形成穩(wěn)定火焰。這個階段的成敗主要取決于空氣速度和燃料分布，也取決于火花塞的位置。第三階段是著火頭部向未燃頭部的火焰?zhèn)鞑ァ⑺形慈碱^部引燃，建立穩(wěn)定的燃燒工況，即認為點火成功。航空發(fā)動機點火是一個難點，由于低壓、低溫、霧化差而導致不得不增加昂貴復雜且沉重的點火裝置，對于直升機發(fā)動機來說， 其可靠性還需要大幅提升[3]。本文采用大渦模擬計算方法，對某型渦軸發(fā)動機的動態(tài)點火過程進行數(shù)值模擬研究。

2 計算模型及算法

燃燒室由14個頭部以及環(huán)形火焰筒組成，由于整個全環(huán)燃燒室模擬起來計算工作量太大，故取單個燃燒室頭部作為計算模型，圖1為環(huán)形燃燒室的單頭部結(jié)構(gòu)示意圖，軸向為Z軸正方向，截面Z=18為點火位置軸向截面。

3 計算結(jié)果與分析

本次計算采用大渦模擬對點火過程進行模擬，點火源采用高溫熱源，燃油采用流量遞增式供給，該過程是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，點火時間從t=0ms開始，點火位置選在（0，193，18）。

3.1 油霧場分析

圖2和圖3分別為核心火團火焰向外傳播失敗與成功的油霧場與溫度場，其中Z=18為點火軸向截面。由圖可知，在t=43.7ms時，在渦團氣流的作用下，火焰開始向點火源的右側(cè)即X軸正向傳播，但是由于右側(cè)燃油濃度較低，并不能夠維持火焰持續(xù)傳播，導致火焰?zhèn)鞒龊舐纳⒌?，說明此時從核心火團發(fā)展出來的火焰并沒能持續(xù)將未燃區(qū)域點著。而時間推進到46.7ms時，火焰跟隨氣流與渦的運動被帶向點火源左側(cè)即x軸負方向，此時左側(cè)的濃度足夠高，能夠維持火焰的持續(xù)燃燒，并且點燃區(qū)域能夠向未燃的區(qū)域傳播火焰，當下游的燃油濃度分布能夠維持這一過程時，火焰能夠傳遞至整個燃燒室，說明此時核心火團火焰成功傳出，代表著點火成功。

3.2 三維火焰?zhèn)鞑ミ^程

3.2.1 三維火焰?zhèn)鞑ナ∵^程

可以看到點火過程中，由局部高溫點燃的燃氣隨著各個無序渦的方向傳播，圖4為點火過程中的三維視圖，圖中溫度面為800K等值面。如圖所示，在43.7ms時，火焰跟隨渦團運動向Z軸負向、X軸正向傳播，但此時溫度等值面范圍很小，說明該時刻化學反應不強烈，火焰溫度不高。而到了44.7ms時，等值面開始往點火位置回縮，并且出現(xiàn)了火焰面不連續(xù)的現(xiàn)象，中間有火焰斷層，說明火焰向外傳播時，在氣流速度較大的區(qū)域，氣流速度帶走的熱量比燃燒反應生成的熱量要多，氣流將火焰生成熱量迅速帶走，而向外傳遞的熱量也未能將其他未燃區(qū)域點著，導致燃燒區(qū)溫度慢慢降低。而隨著點火源附近的燃油消耗，高溫區(qū)域越來越小，等值面繼續(xù)向點火位置回縮。到了45.7ms時，高溫面進一步縮小。從43.7ms到45.7ms火焰范圍可知，該段時間火焰?zhèn)鞑ナ?，因為燃油濃度較低，燃燒速率較低，核心火團化學反應生熱率小，而周圍流動混氣很快帶走核心火團生成的熱量，生成熱量小于火團向外界的散熱量，燃燒區(qū)域溫度始終達不到爆炸反應溫度。核心火團的高溫燃氣被氣流帶到下游，生成的熱量在氣流傳播過程中被消耗，溫度也越來越低，化學反應速率也越來越低，產(chǎn)生的熱量越來越少，到一定程度時已經(jīng)無法點燃新鮮混氣，此時傳播出來的火焰熄滅，導致點火失敗。

3.2.2 三維火焰?zhèn)鞑コ晒^程

在點火過程中，點火源在很多時段內(nèi)會點燃附近混氣，向外傳播火焰，但是當外界條件不適合火焰?zhèn)鞑r，火焰不能持續(xù)燃燒，則點火失敗，當外界條件合適點火后，火焰順利從點火位置傳出，并能能夠在回流區(qū)穩(wěn)定，火焰持續(xù)燃燒最終點燃整個燃燒室，說明點火成功。

圖5為46.7ms到49.7ms內(nèi)三維火焰?zhèn)鞑D，圖中溫度面為1600K溫度等值面。由圖可知，此時火焰是朝向Z正方向、X負方向傳播，與43.7ms至46.7ms時火焰的傳播規(guī)律完全不同，這也說明了點火過程中點火區(qū)域有許多無序的渦的生成與脫落，并且該區(qū)域的紊流度以及油氣比能夠使化學反應充分進行，所以高溫區(qū)范圍逐漸變大。當時間到達46.7ms時，經(jīng)歷了前段時間的化學反應能量積累后，火焰跟隨渦團向X軸負方向傳播，由點火源軸向截面濃度分布圖可知，在43.7ms到46.7ms這段時間內(nèi)，點火源附近濃度值并沒有太大的改變，所以影響點火的主要因素是：在此時出現(xiàn)了一個能量強的渦團，將火焰從點火位置帶出，并且該時刻新鮮混氣不斷的補充進來，保持火焰持續(xù)燃燒。到了48.7ms時，由火焰在回流區(qū)內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定燃燒，火焰不斷向外傳播，高溫區(qū)域范圍繼續(xù)擴大，本文認為在該時刻點火成功。

4 結(jié)語

在進口溫度壓力幾乎不變的情況下，燃油分布以及來流紊流度是影響點火成功與否的重要因素，在局部高溫點火過程中，會有火焰不斷向外傳出，當燃油濃度不夠時，傳出火焰溫度不高且點火源附近燃油濃度不高，并不能將未燃區(qū)域點著；而在燃油濃度足夠時，由于來流的渦團方向各異，當渦團將火焰帶向燃油高濃度區(qū)域時，火焰能夠持續(xù)燃燒，繼續(xù)點燃未燃區(qū)域，而將火焰帶去低濃度區(qū)域時，火焰難以維持，最終火焰溫度被氣流帶走，導致點火失敗。

參考文獻

[1]Boileau M， Staffelbach G， Cuenot B，et al.LES of an ignition sequence in a gas turbine engine[J].Combustion and Flame，2008，154（1）：2-22.

[2]Marchione T，Ahmed S F，Mastorakos E.Ignition of turbulent swirling n-heptane spray flames using single and multiple sparks[J]. Combustion and Flame，2009，156（1）： 166-180.

[3]Jones W P， Tyliszczak A. Large eddy simulation of spark ignition in a gas turbine combustor[J].Flow，turbulence and combustion，2010，85（3-4）：711-734.