周開福，李 寧，張 琪

（中國航發(fā)貴陽發(fā)動機研究所，貴陽550081）

0 引言

航空發(fā)動機加力燃燒室常用的點火方式有預(yù)燃室點火、熱射流點火、催化點火和高能電嘴直接點火，其中熱射流點火具有點火可靠、點火系統(tǒng)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單等顯著優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動機加力燃燒室中，尤其在沖壓發(fā)動機和脈沖爆震火箭發(fā)動機點火上備受關(guān)注。國內(nèi)外做了一些研究性工作[1-7]。席文雄、王振國等[3-4]對沖壓發(fā)動機進行熱射流點火研究，實現(xiàn)了可靠點火；李建玲、范瑋等[6]對熱射流點火進行了探索性研究，發(fā)現(xiàn)熱射流點火可實現(xiàn)脈沖爆震火箭發(fā)動機的快速短距起爆。而有關(guān)熱射流點火在航空發(fā)動機加力燃燒室中的應(yīng)用研究國內(nèi)外鮮有報道。徐興平、張孝春等[8]對熱射流點火煤油自燃規(guī)律進行了試驗研究，為第4代軍用航空發(fā)動機加力燃燒室熱射流點火設(shè)計提供了初步試驗依據(jù)。

對于采用波瓣混合器的加力燃燒室，內(nèi)涵流通過波瓣混合器產(chǎn)生的流向渦會影響熱射流火焰的傳播。而文獻(xiàn)[8]著重研究了煤油自燃延遲時間和距離隨氣動參數(shù)的變化規(guī)律，并沒有在加力燃燒室的流場中研究熱射流點火。在采用波瓣混合器的加力燃燒室基礎(chǔ)上研究熱射流點火的文獻(xiàn)很少，而針對波瓣混合器的機理、性能、試驗等的文獻(xiàn)較多[9-14]。因此，根據(jù)加力燃燒室波瓣混合器與穩(wěn)定器布局形式開展熱射流點火的研究十分有意義。

本文以采用波瓣混合器的某型航空發(fā)動機加力燃燒室為研究對象，在其他條件不變的情況下，研究了熱射流點火性能隨接力噴嘴徑向高度和方位角的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

由于加力燃燒室結(jié)構(gòu)具有周向?qū)ΨQ性，取其1/6為計算域，如圖1所示。圖中，D為加力燃燒室入口外涵直徑；h為接力噴嘴實際徑向高度，即接力噴嘴到中心對稱軸距離；x軸為中心對稱軸，z軸為徑向，y軸與x、z軸相互垂直。定義波瓣混合器入口處x=0。對接力噴嘴徑向高度進行無量綱處理，即H=h/D。在其他條件相同的前提下，改變接力噴嘴徑向高度 H，取 H＝0.25、0.28、0.30、0.33；在其他條件相同的前提下，改變接力噴嘴方位角α，取α＝0°、5°、10°、15°。

加力燃燒室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進行離散。采用5種不同網(wǎng)格數(shù)進行網(wǎng)格無關(guān)解研究，得出網(wǎng)格總數(shù)540萬滿足網(wǎng)格無關(guān)解。因此，數(shù)值模型網(wǎng)格總數(shù)選擇540萬，如圖2所示。

1.2 邊界條件及數(shù)值方法

圖1 計算域

邊界條件采用加力燃燒室的實際工況，內(nèi)、外涵入口均采用質(zhì)量入口邊界條件，離散項設(shè)為escape，給出質(zhì)量流量和總溫；出口采用壓力出口邊界條件，離散項設(shè)為escape，給出靜壓和總溫。計算域兩側(cè)采用周期性邊界條件。穩(wěn)定器壁面設(shè)為流固熱交換面，其余壁面均采用絕熱、無滑移固壁邊界條件，離散項設(shè)為trap。

Cooper等[15]采用數(shù)值模擬方法模擬某波瓣混合器流場，得出采用Realizable k-ε湍流模型數(shù)值模擬波瓣混合器的計算結(jié)果與試驗結(jié)果最為接近，故本文湍流模型也選用Realizable k-ε。就航空發(fā)動機加力燃燒室而言，燃油霧化模型一般采用顆粒軌跡模型（DPM模型）。由于接力噴嘴類型為離心噴嘴，噴嘴的射流源類型選擇錐形射流源，錐角設(shè)為78°。接力噴嘴的燃油燃燒屬于非預(yù)混燃燒，故燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型（Eddy-Dissipation渦耗散燃燒模型）。壓力項采用2階離散格式，對流項采用2階迎風(fēng)格式離散，壓力與速度采用SIMPLE耦合算法，收斂殘差設(shè)為10-6。

1.3 數(shù)值方法驗證

為了驗證本文數(shù)值方法的可靠性，基于對該型加力燃燒室扇形段流場測試結(jié)果，采用Realizable k-ε湍流模型對其進行數(shù)值模擬。加力燃燒室出口和混合擴壓器出口測點無量綱總溫（測點實際總溫/加力燃燒室內(nèi)涵入口總溫）的計算和試驗結(jié)果對比如圖3所示。從圖中可見，計算與試驗結(jié)果吻合較好。

圖2 整體網(wǎng)格及局部放大

圖3 無量綱總溫計算與試驗結(jié)果對比

建立文獻(xiàn)[8]中熱射流點火煤油自燃試驗研究數(shù)值模型，燃油霧化模型選擇DPM模型、燃燒模型選擇Eddy-Dissipation渦耗散燃燒模型對其進行數(shù)值模擬，煤油著火延遲距離計算與試驗結(jié)果對比見表1。

表1 著火延遲距離試驗與計算結(jié)果對比

從表中可見，計算與試驗結(jié)果較為吻合，相對誤差均在5%以內(nèi)，說明選擇的燃油霧化模型和燃燒模型的計算精度較高。通過對波瓣混合器和熱射流點火自燃的試驗結(jié)果進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，計算與試驗結(jié)果均能較好地吻合，說明本文的數(shù)值方法是可靠的。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 熱射流點火未工作時的流場分析

在熱射流點火未工作時分析加力燃燒室流場，得出熱射流火焰的最佳傳播區(qū)域。加力燃燒室的工作流程為熱射流火焰首先點燃值班火焰，然后利用值班火焰點燃部分加力狀態(tài)和全加力狀態(tài)，同時考慮值班火焰快速沿周向傳焰，故熱射流火焰需傳到周向穩(wěn)定器附近區(qū)域迅速點燃該區(qū)燃油并形成穩(wěn)定的小火焰，小火焰利用周向穩(wěn)定器周向傳焰功能迅速點燃整個值班火焰。穩(wěn)定器尾緣截面上靜溫和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖4所示。從圖中可見，熱射流火焰?zhèn)鞯街芟蚍€(wěn)定器附近的區(qū)域有3種（外涵2種，內(nèi)涵1種），外涵有2種是因為內(nèi)涵高溫燃?xì)馐懿ò昊旌掀鞑ǚ逄幃a(chǎn)生流向渦卷吸作用入侵外涵冷空氣后導(dǎo)致該區(qū)氣體溫度升高，最終導(dǎo)致周向穩(wěn)定器附近的外涵區(qū)域形成高溫和低溫2種不同區(qū)域；周向穩(wěn)定器附近內(nèi)涵區(qū)域氣流溫度和壓力高，氧氣相對充足，非常有利于點火，故為熱射流火焰?zhèn)鞑サ淖罴褏^(qū)域；周向穩(wěn)定器附近外涵高溫區(qū)域氣流溫度高，氧氣充足，壓力相對較低，故為射流火焰?zhèn)餮娴牡?區(qū)域；周向穩(wěn)定器附近外涵低溫區(qū)域氣流氧氣充足，壓力相對較高，溫度較低，故為射流火焰?zhèn)餮娴淖畈顓^(qū)域?；谏鲜龇治觯瑹嵘淞骰鹧?zhèn)鞑^(qū)域最好選擇周向穩(wěn)定器附近外涵高溫區(qū)域和內(nèi)涵高溫區(qū)域，具體選擇時還要綜合分析航空發(fā)動機加力燃燒室的混合器與穩(wěn)定器布局方式。

圖4 穩(wěn)定器尾緣截面靜溫和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

穩(wěn)定器壁面溫度分布如圖5所示。穩(wěn)定器高溫區(qū)主要分布在內(nèi)徑向穩(wěn)定器和環(huán)向穩(wěn)定器2個局部區(qū)域，最高溫度約1000 K，這是因為內(nèi)涵高溫燃?xì)馔ㄟ^波瓣混合器波峰處卷吸到外涵與低溫空氣進行熱交換提高了外涵區(qū)域的溫度，導(dǎo)致波瓣混合器波峰下游處外涵溫度升高，故環(huán)向穩(wěn)定器出現(xiàn)2個局部的高溫區(qū)。

圖5 穩(wěn)定器壁面溫度分布

2.2 熱射流點火工作時的流場分析

為簡便起見，主要分析不同射流噴嘴徑向高度下的流場。熱射流火焰子午面靜溫分布如圖6所示。從圖中可見，隨著徑向高度增加，熱射流火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x逐漸縮短，同時傳播到穩(wěn)定器下游區(qū)域從內(nèi)涵區(qū)域逐漸向外涵區(qū)域移動；徑向高度越大，熱射流火焰的高溫區(qū)域越小；徑向高度越小，熱射流火焰越靠近內(nèi)涵，內(nèi)涵為高溫燃?xì)?，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低，熱射流燃油不能在短距離內(nèi)完全燃燒，從而拉長熱射流火焰的傳播距離；隨著徑向高度增大，熱射流火焰越靠近外涵，外涵空氣溫度低，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，熱射流燃油在短距離內(nèi)完全燃燒，同時熱射流火焰向外涵低溫空氣傳入大量的熱量，加快了熱射流火焰的耗散，從而熱射流火焰的傳播距離較短、高溫區(qū)域越小。在x/D=0.63截面上靜溫分布如圖7所示。從圖中可見，隨著徑向高度增加，熱射流火焰?zhèn)鞑サ椒€(wěn)定器尾緣截面上的高溫區(qū)域（1400 K以上）后逐漸減小。當(dāng)徑向高度H=0.25時，熱射流火焰受流向渦卷吸作用沿徑向拉長，受穩(wěn)定器阻擋分成一大一小2簇火焰繼續(xù)往下游傳播，大的1簇射流火焰在內(nèi)涵區(qū)域往下游傳播，小的1簇在外涵區(qū)域往下游傳播；當(dāng)徑向高度H=0.28時，熱射流火焰受流向渦卷吸作用沿徑向拉長，受穩(wěn)定器阻擋分成一大一小2簇火焰繼續(xù)往下游傳播，大的1簇射流火焰在外涵區(qū)域往下游傳播，小的1簇在內(nèi)涵區(qū)域往下游傳播；當(dāng)徑向高度H=0.30時，熱射流火焰受流向渦卷吸作用沿徑向拉長，傳播到穩(wěn)定器尾緣截面上高溫區(qū)域與外伸徑向穩(wěn)定器回流區(qū)完美貼合；當(dāng)徑向高度H=0.33時，熱射流火焰更加靠近外涵區(qū)域，向外涵低溫氣流傳入大量的熱量，傳播到穩(wěn)定器尾緣截面上高溫區(qū)域逐漸消失。

圖6 熱射流火焰子午面靜溫分布

圖7 x/D=0.63截面靜溫分布

2.3 穩(wěn)定器壁溫分析

圖8 不同徑向高度下穩(wěn)定器壁溫分布

不同徑向高度下穩(wěn)定器壁溫分布如圖8所示。從圖中可見，隨著徑向高度增加，穩(wěn)定器壁面高溫分布區(qū)域逐漸減小。隨著徑向高度逐漸增大，熱射流火焰逐漸靠近外涵區(qū)域，傳播到穩(wěn)定器尾緣截面上區(qū)域由內(nèi)涵逐漸向外涵移動，同時向外涵低溫區(qū)域傳遞的熱量越來越大，高溫區(qū)域逐漸減小，傳播到穩(wěn)定器壁面時火焰區(qū)域逐漸減小到零，從而穩(wěn)定器壁面高溫區(qū)域逐漸減小。徑向高度H=0.25時穩(wěn)定器壁溫最高，高達(dá)1400 K左右，會導(dǎo)致穩(wěn)定器局部燒蝕，嚴(yán)重影響穩(wěn)定器的工作可靠性。

不同方位角下穩(wěn)定器壁溫分布如圖9所示。從圖中可見，隨著方位角的增大，穩(wěn)定器壁面高溫區(qū)域逐漸減小；方位角α=0°和α=5°時的穩(wěn)定器壁溫最高，為1450 K左右，會導(dǎo)致穩(wěn)定器局部燒蝕；方位角α=15°時穩(wěn)定器壁面溫度最低，為1100 K左右。在方位角從0°增大到15°的過程中，熱射流火焰受穩(wěn)定器壁面阻擋區(qū)域越來越小，穩(wěn)定器壁面高溫區(qū)域越來越小。

2.4 流阻特性

加力燃燒室沿流向截面的無量綱總壓定義為

由式（1）得出不同徑向高度下加力燃燒室無量綱總壓沿流向的變化規(guī)律，如圖10所示。從圖中可見，無量綱總壓沿流向逐漸降低，無量綱總壓曲線先較為陡峭后逐漸變緩；流過穩(wěn)定器無量綱總壓驟然下降，降低0.02；在穩(wěn)定器尾緣下游，隨著徑向高度增加，無量綱總壓曲線由下往上排列。這是因為內(nèi)外涵流體流過波瓣混合器后生成的流向渦強度大，隨著流向渦往下游發(fā)展，流向渦強度逐漸增強，在流向渦強力摻混的作用下能量損失較大，無量綱總壓劇烈減小，故無量綱總壓曲線前段比較陡峭；當(dāng)流向渦強度擴展到最大時，受流體黏性和湍流耗散作用進入渦耗散階段，強度逐漸減小，摻混強度逐漸減弱，能量損失逐漸減小，故無量綱總壓曲線趨勢逐漸變緩；流體流過穩(wěn)定器受逆壓梯度影響，在節(jié)流作用下流體能量損失急劇增大，無量綱總壓急劇降低；隨著徑向高度增大，熱射流火焰逐漸靠近外涵，逐漸靠近波瓣混合器生成流向渦核心區(qū)，受流向渦影響熱射流火焰發(fā)生振蕩，能量損失越大，無量綱總壓越小。熱射流工作時，流體熱阻損失增大，無量綱總壓減小，故熱射流未工作的無量綱總壓曲線在熱射流工作的無量綱總壓曲線之上。在加力燃燒室出口截面處，熱射流導(dǎo)致的額外最大無量綱總壓損失約為0.007。

不同方位角下無量綱總壓沿流向的變化規(guī)律如圖11所示。從圖中可見，無量綱總壓沿流向逐漸降低，在穩(wěn)定器前無量綱總壓曲線較為陡峭并逐漸變緩；流經(jīng)穩(wěn)定器無量綱總壓急劇降低，降低0.02；在穩(wěn)定器后無量綱總壓曲線趨勢逐漸變緩并趨于平穩(wěn)。在加力燃燒室出口處，隨著方位角的增大，無量綱總壓依次為 0.9498、0.9476、0.9472 和 0.9472；熱射流工作導(dǎo)致的額外最大無量綱總壓損失約為0.0056。

圖10 不同徑向高度下無量綱總壓沿流向分布

圖11 不同方位角下無量綱總壓沿流向變化

3 結(jié)論

在其他條件不變的前提下，本文研究了接力噴嘴不同徑向高度和方位角對熱射流點火性能的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）通過流場分析可知，熱射流火焰?zhèn)鞑サ街芟蚍€(wěn)定器附近區(qū)域時最好選擇外涵高溫區(qū)域和內(nèi)涵高溫區(qū)域。

（2）隨著徑向高度增加，熱射流火焰?zhèn)鞑サ椒€(wěn)定器尾緣截面時高溫區(qū)域逐漸減小，其中在H=0.30時熱射流火焰?zhèn)鞑サ椒€(wěn)定器尾緣截面上高溫區(qū)域與外伸徑向穩(wěn)定器回流區(qū)完美貼合。

（3）隨著徑向高度增加，穩(wěn)定器壁面高溫分布區(qū)域逐漸減小，其中在H=0.25時穩(wěn)定器壁面靜溫最高，為1400 K左右，會導(dǎo)致穩(wěn)定器局部燒蝕。

（4）隨著方位角的增大，穩(wěn)定器壁面高溫區(qū)域逐漸減小，其中在方位角α=0°和α=5°時穩(wěn)定器壁面溫度最高，為1450 K左右。