姚 婷，劉景源

(南昌航空大學飛行器工程學院，南昌 330063)

0 引言

駐渦燃燒室(trapped vortex combuster, TVC)憑借其高效的燃燒組織方式，簡單緊湊的結(jié)構(gòu)外形，優(yōu)異的燃燒性能，成為極具應用前景的新概念燃燒室[1-3]。按照結(jié)構(gòu)形式劃分，一種是由美國Ramgen公司提出的鈍體駐渦燃燒室，依靠雙鈍體形成駐渦；另一種是壁面駐渦燃燒室，依靠壁面凹腔形成駐渦。

Agarwal等[4]將導流片技術(shù)應用于壁面駐渦燃燒室中，相比較普通駐渦燃燒室，燃燒效率提高。導流片的引入，不僅有利于形成雙渦結(jié)構(gòu)，其分流作用增強了凹腔與來流的熱質(zhì)交換，有利于燃燒效率的提升。曾卓雄等[5]對帶導流片的駐渦燃燒室的進氣參數(shù)進行研究，結(jié)果顯示當量比增大使得鈍體回流區(qū)減?。豁n吉昂等[6]發(fā)現(xiàn)凹腔噴射可以形成穩(wěn)定雙渦結(jié)構(gòu)，降低總壓損失系數(shù)；王志凱、俞駿等[7-8]對雙通道駐渦燃燒室中導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn)合適的導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)可實現(xiàn)低壓降、低污染、高效率的燃燒室。與雙通道進氣結(jié)構(gòu)TVC相比，三通道TVC的進口中間通道將其內(nèi)回流區(qū)分成兩個通道，避免了局部高溫，氮氧化物排放降低，燃燒效率顯著提升[4，9]，但整體燃燒效率較低，為進一步提升燃燒效率，并考慮到燃燒室壁面受高溫燃氣及熱輻射影響，成為發(fā)動機內(nèi)部易損壞的部件，將上下通道通入冷空氣來降低壁面溫度，由此提出將導流片引入三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室，研究導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒室性能的影響。

1 數(shù)值模擬模型及研究方案

1.1 幾何模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

帶導流片的三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖1所示。燃燒室總體長度400 mm，內(nèi)徑600 mm，外徑800 mm；上下兩側(cè)進氣通道徑向高度相等，均為10 mm，中間通道徑向高度20 mm；前鈍體軸向長度40 mm，徑向高度30 mm，后鈍體幾何尺寸10 mm×21 mm，前后鈍體之間距離18 mm，前后兩對鈍體及導流片均關(guān)于中心通道對稱，用于分流及導流的導流片存在一定厚度，其厚度大對流體起阻礙作用，因此厚度越小越好。不失一般性導流片的厚度取為零。選擇導流片與中間通道前鈍體端面的徑向距離a、導流片伸入凹腔的長度b以及導流片距離前鈍體后端面的距離c等3個參數(shù)作為研究的TVC結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 帶導流片的三通道進氣TVC結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.2 邊界條件及網(wǎng)格無關(guān)性分析

數(shù)值模擬采用甲烷-空氣預混合的渦耗散化學反應模型，化學當量比取0.7，入口流速60 m/s、溫度300 K，出口1個大氣壓強；中間通道混合氣的甲烷質(zhì)量分數(shù)為0.036 23，氧氣質(zhì)量分數(shù)為0.207 02。

為驗證計算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，圖2及圖3給出了網(wǎng)格數(shù)為5萬、10萬和20萬時的燃燒室出口徑向溫度分布及徑向總壓分布，可見在選取的網(wǎng)格數(shù)范圍內(nèi)，計算結(jié)果均與網(wǎng)格無關(guān)。因此，數(shù)值模擬選用5萬網(wǎng)格進行計算及分析。

圖2 取不同網(wǎng)格數(shù)時出口徑向溫度

圖3 取不同網(wǎng)格數(shù)時出口徑向總壓

2 計算結(jié)果與分析

為驗證中間通道加入導流片對燃燒室性能優(yōu)化的可行性，對比加入導流片前后三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室的甲烷質(zhì)量分數(shù)分布及溫度分布，如圖4、圖5所示。圖4中間通道的燃料由進口到出口的流動過程中逐漸減少；未放置導流片時，中間通道未燃甲烷流量較大，這是因為入口流速較高，燃料在燃燒室內(nèi)停留時間較短而無法完全燃燒；中間通道加入導流片后，中間通道甲烷完全燃燒，兩導流片的分流作用將中間流道的一股混合氣分為三股燃燒，增強了中間通道混合氣與上下兩側(cè)通道空氣的摻混，并為點火穩(wěn)焰提供了遮擋。圖5給出了燃燒室在放置導流片前后的溫度分布，無導流片時，燃燒室整體溫度較低，燃燒效率不高；導流片的分流及導流作用，使得燃料完全燃燒放熱，燃燒室內(nèi)溫度大大升高。

圖4 有、無導流片時燃燒室甲烷質(zhì)量分數(shù)分布

圖5 有、無導流片時燃燒室溫度分布

帶導流片的三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室可顯著提升燃燒室性能，因此，需要研究導流片的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對燃燒室性能的影響規(guī)律。

以燃燒效率、總壓損失系數(shù)作為衡量燃燒室性能的指標，研究a，b，c等3個參數(shù)對燃燒室性能的影響，設(shè)中間通道徑向高度為2E;前鈍體徑向高度為H；前后鈍體距離為L。導流片幾何參數(shù)a主要影響導流片分流作用的強弱，當a/E<0.1時，導流片幾乎沒有分流作用，燃燒效率較低；當a/E>0.9時，中間通道的兩個導流片幾乎靠在一起，進入凹腔的流量增加，導流片的阻礙作用明顯，總壓損失很大。參數(shù)b影響其導流作用，當b/H<0.1時，導流片縱向長度太小，經(jīng)導流片流入凹腔的混合氣很難在凹腔內(nèi)充分發(fā)展為旋渦；當b/H>0.6時，雖然導流片縱向長度很大，但駐渦大小不會有很大改變。c影響低速區(qū)的大小，當c/L<0.1時，低速區(qū)面積很大，總壓損失很大；當c/L>0.5時,導流片與后鈍體距離小，駐渦無法充分發(fā)展。綜上分析，導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1所示。

表1 導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 a/E對燃燒室性能的影響

2.1.1a/E對燃燒效率的影響

a對燃燒室燃燒效率η的影響如圖6所示，a/E增大，η提高，a/E由0.1變?yōu)?.4時，η增幅較大；在a/E>0.4時，η接近100%。a/E的增大使得導流片的分流作用越來越明顯，更多的混合氣通過導流片流入凹腔，因此，燃燒效率得到顯著提高。文獻[8]中得到帶導流片的駐渦燃燒室燃燒效率達到97.97%。燃燒效率作為燃燒室性能的重要指標，燃燒效率越高，燃料的利用率越高，因此a/E要盡可能大于0.4。

圖6 不同a/E對燃燒室燃燒效率的影響

2.1.2 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

圖7為不同a/E時對應的凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)，由于a/E<0.4時，不滿足燃燒室性能的要求，因此以下分析均以a/E>0.4時進行。a/E由0.5向0.9變化時，凹腔內(nèi)均能產(chǎn)生雙渦結(jié)構(gòu)，發(fā)揮點火作用的大旋渦面積隨著a/E的增大而增大，提供了更加充分的點火源。這也是燃燒效率得到提升的原因。前鈍體后方形成的駐渦幾乎不受a/E變化的影響，前鈍體后端面粘性力的作用使燃燒室性能存在一定的損失，并形成低速駐渦區(qū)。但粘性力對前鈍體后方的渦作用有限，所以前鈍體后方的渦大小基本不變。隨著a/E的增大，前鈍體與導流片之間的流速越來越大，流動速度的增加有利于燃氣摻混，增強主流與凹腔內(nèi)部的熱質(zhì)交換，提高燃燒效率。隨著a/E的增大，低速區(qū)的面積逐漸增大，從而在一定程度上造成了總壓損失的增加。

圖7 不同a/E時凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

2.1.3a/E對總壓損失系數(shù)的影響

圖8給出了不同a/E對燃燒室的總壓損失系數(shù)σ的影響：a/E增大，σ增幅也越來越大。凹腔內(nèi)發(fā)揮點火作用的大渦隨著a/E的增大逐漸增大，總壓損失系數(shù)增加。在a/E=0.5時，σ取得最小值3.212 2%；在a/E=0.9時，σ達到9.230 5%。

圖8 不同a/E對燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響

綜上所述，a/E取0.5～0.9時，帶導流片的三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室均能形成理想的雙旋渦結(jié)構(gòu)，η也均可以達到99%以上，但是σ的變化很大?？倝簱p失系數(shù)的增加會導致發(fā)動機推力的降低，并且每降低1%的總壓損失系數(shù)，單位燃油消耗率就會降低1%[7]。從提升燃燒室性能以及減少燃料浪費角度，a/E取燃燒效率較高，總壓損失系數(shù)最低比較合適，即a/E=0.5，此時η=99.6084%，σ=3.2122%。

2.2 b/H對燃燒室性能的影響

2.2.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

不同b/H對應的凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)如圖9，凹腔內(nèi)均能形成雙渦結(jié)構(gòu)；隨著導流片伸入凹腔長度的增加，前鈍體后端面處低速區(qū)越來越小，壁面處形成的駐渦越來越小，凹腔內(nèi)的駐渦逐漸增大；凹腔內(nèi)的小渦主要是加強主流與凹腔內(nèi)熱質(zhì)摻混，并且隔離大渦與主流，隨著b/H的增大，小渦大小基本一致，發(fā)揮穩(wěn)定點火源作用的大渦逐漸增大。

圖9 不同b/H時凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

b/H=0.1時，導流片伸入凹腔長度極小，遠低于凹腔中線高度，由導流片進入凹腔的流體動量較小，流體轉(zhuǎn)向位置即導流片伸入凹腔的長度，這就造成凹腔內(nèi)的低速流動區(qū)很小，旋渦無法充分發(fā)展，因此凹腔駐渦很??；由導流片進入凹腔內(nèi)動量較小的流體流經(jīng)前鈍體后端面時，受粘性力作用，在前鈍體后端面形成較大的駐渦。隨著b/H的增大，導流片伸入凹腔的長度增加，遮擋能力提高，凹腔內(nèi)的低速區(qū)面積增大，旋渦得到發(fā)展，逐漸增大。

2.2.2b/H對燃燒效率的影響

圖10為b/H隨燃燒效率η變化曲線。從圖可知，b/H的變化對η的影響很小，η均大于99.6%。導流片的分流作用避免了燃氣集中，使得燃燒更加充分，凹腔內(nèi)駐渦使得主流與凹腔之間的熱質(zhì)交換增強，因此燃燒效率高。當b/H<0.4時，大渦外側(cè)流速較高，有利于燃氣摻混及增強凹腔與主流之間的熱質(zhì)交換。b/H從0.4變到0.6時，大渦外側(cè)流速減小，但凹腔內(nèi)駐渦較大，能增強凹腔與主流的熱質(zhì)交換。但凹腔駐渦受b/H變化對燃燒效率作用有限，因此隨著b/H的變化，帶導流片的三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室的燃燒效率變化不大。

圖10 不同b/H時燃燒室的燃燒效率

2.2.3b/H對總壓損失系數(shù)的影響

隨著b/H的增大，帶導流片的先進旋渦燃燒室總壓損失系數(shù)σ逐漸減小，在b/H=0.5時，取得最小值3.202 6%;當b/H大于0.5時，σ略微上升。根據(jù)圖9，b/H增大，前鈍體后端面的低速區(qū)面積減小，駐渦也逐漸減小，此處形成的駐渦阻塞流道使得主流流經(jīng)時損失部分能量，造成σ的增加。因此總σ隨著b/H的增大而逐漸降低，但σ的變化范圍并不大。這是因為雖然前鈍體后端面的低速區(qū)面積減小且形成的駐渦變小，但凹腔內(nèi)的低速區(qū)面積逐漸增大且形成的駐渦也變大，兩者對總壓損失造成的影響相差不大。當b/H=0.6時，前鈍體后端面處的低速駐渦區(qū)面積很小，與b/H=0.5時相當，但是其凹腔內(nèi)低速駐渦區(qū)面積比b/H=0.5大，因此b/H=0.6時，σ略有回升。

綜上，b/H的變化對燃燒效率的影響很小，燃燒效率基本保持在99.6%以上；在研究范圍內(nèi)，導流片伸入凹腔的長度越大，其遮擋能力越高，凹腔內(nèi)形成的駐渦面積越大，更有利于形成穩(wěn)定的點火源；總壓損失系數(shù)隨b/H的增大呈現(xiàn)下降趨勢，因此，綜合各項性能，當b/H=0.5時，帶導流片的先進旋渦燃燒室具有較高的燃燒效率、較低的總壓損失系數(shù)，即b/H=0.5，此時燃燒效率為99.649 2%，總壓損失系數(shù)為3.202 6%。

圖11 不同b/H對燃燒室的總壓損失系數(shù)的影響

2.3 c/L對燃燒室性能的影響

2.3.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

圖12給出了c/L的變化對凹腔速度分布以及旋渦結(jié)構(gòu)的影響。由圖12可得，c/L從0.1向0.4變化過程中，凹腔低速區(qū)面積明顯減小，前鈍體后端面低速區(qū)面積呈現(xiàn)減小趨勢，混合氣流速減小，由于流動阻力與流速平方近似成正比，因此流動阻力減小，總壓損失系數(shù)降低。c/L=0.1時，凹腔內(nèi)旋渦紊亂，旋渦附近速度很大，不利于駐渦穩(wěn)定。c/L從0.2增大到0.4時，凹腔內(nèi)的小渦逐漸減小。小渦的作用在于隔離主流與凹腔內(nèi)的大渦，使點火源穩(wěn)定，因此小渦不宜太大。經(jīng)導流片流入凹腔的流體動量及有效旋渦區(qū)面積減小，因此總壓損失系數(shù)降低。

圖12 不同c/L時凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

2.3.2c/L對燃燒效率的影響

c/L隨燃燒室燃燒效率η變化曲線圖如圖13所示。c/L=0.1時，η=99.9094%。但由圖12，此時低速區(qū)面積較大，旋渦對稱性差。c/L從0.2到0.5變化時，η相差不大，均高于99.6%。由圖12知，凹腔整體速度隨著c/L增大而降低，凹腔內(nèi)部與主流熱質(zhì)交換減弱，導致η稍降，但總體變化很小。

圖13 不同c/L對燃燒室的燃燒效率的影響

2.3.3c/L對總壓損失系數(shù)的影響

c/L對燃燒室總壓損失系數(shù)σ的影響如圖14所示。隨著c/L的增大，σ逐漸減小。導流片與前鈍體后端面的距離增大，凹腔內(nèi)低速駐渦區(qū)面積減小，因此σ降低。當c/L=0.1時，σ達到6.677 6%，遠高于普通AVC的標準，因此c/L應取較大的數(shù)值。

圖14 不同c/L時燃燒室的總壓損失系數(shù)

綜上分析，在研究范圍內(nèi)，c/L對總壓損失系數(shù)σ有一定影響，對燃燒效率η的影響很小。從優(yōu)化燃燒室性能角度，應選擇η高而σ小的結(jié)構(gòu)，即c/L=0.5，此時η=99.6698%，σ=3.1268%。

3 結(jié)論

對不同導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)下的三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室進行了數(shù)值模擬及理論分析，結(jié)論如下：

1)帶導流片的三通道進氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室的凹腔內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的雙駐渦結(jié)構(gòu)，增強了凹腔與主流之間的熱質(zhì)交換，穩(wěn)定了凹腔點火源，提升了燃燒效率。

2)隨a/E的增大，燃燒效率先明顯提高，而后基本保持不變，a/E>0.4時，燃燒效率幾乎達100%；總壓損失系數(shù)隨a/E增大而增加。

3)燃燒效率隨b/H的增大雖略有上升，但變化很小，均大于99.6%；總壓損失系數(shù)先下降而后略微上升，但總體變化很小。

4)隨c/L的增大，總壓損失系數(shù)降低，燃燒效率先下降后緩慢上升，但變化不大。

5)在選定的研究參數(shù)范圍內(nèi)，導流片最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為a/E=0.5，b/H=0.5，c/L=0.5，此時燃燒效率為99.669 8%，總壓損失系數(shù)為3.126 8%。