汪玉明，肖 為，王志凱，王梅娟

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

0 引言

目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的火焰筒頭部結(jié)構(gòu)大多采用雙級(jí)旋流器與噴嘴的組合方案，其中雙級(jí)旋流器、文氏管、套筒與噴嘴組合氣動(dòng)霧化裝置的設(shè)計(jì)已經(jīng)歷了近30多年的發(fā)展。因此，對(duì)雙級(jí)旋流器燃燒室的研究成為了燃燒領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，包括采用試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算等方法對(duì)雙級(jí)旋流器的流場(chǎng)和燃燒場(chǎng)進(jìn)行研究。閆東博等基于雙級(jí)軸向旋流器燃燒室，建立了一種旋流器性能評(píng)估方法，提出了綜合旋流強(qiáng)度和能量利用率2 個(gè)準(zhǔn)則數(shù)，該評(píng)估方法可以應(yīng)用在雙級(jí)或多級(jí)軸向旋流器的設(shè)計(jì)中；Vasha?hi對(duì)雙級(jí)軸向旋流器開展了大渦模擬研究，并與PIV 試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，二者吻合良好，同時(shí)對(duì)旋流器內(nèi)部的渦旋脫落機(jī)理以及不穩(wěn)定性現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

雙級(jí)旋流器氣量分配是1 個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，將影響旋流強(qiáng)度和回流區(qū)大小，從而改變?nèi)剂?空氣混合均勻度，進(jìn)而影響燃燒室NOx排放和貧熄特性。

徐浩鵬等研究了頭部氣量分配對(duì)某雙徑向旋流器矩形燃燒室貧油熄火的影響，表明第1 級(jí)旋流器進(jìn)氣量減少一半可拓寬熄火邊界約18%；代威等對(duì)某斜切孔/徑向旋流器燃燒室點(diǎn)熄火性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)?、2 級(jí)旋流器氣量比為0.8~1.2 時(shí)，增加第2 級(jí)旋流器氣量對(duì)點(diǎn)熄火性能幾乎沒(méi)有影響；謝法等針對(duì)軸徑向旋流器燃燒室氣量分配對(duì)貧熄性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)第1 級(jí)旋流器面積減小20%可以拓寬貧熄邊界9.7%，針對(duì)雙級(jí)軸向旋流器進(jìn)氣面積對(duì)燃燒室貧熄性能的影響研究表明，增加第1、2 級(jí)旋流器面積均能拓寬貧熄邊界10%以上；Wei等研究了2 種燃料下雙級(jí)軸向旋流器氣量分配對(duì)燃燒室貧熄性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加第1、2 級(jí)旋流器氣量均能拓寬貧熄邊界，且2種燃料規(guī)律一致。

現(xiàn)有研究主要針對(duì)第1級(jí)或第2級(jí)旋流器單調(diào)變化，這會(huì)對(duì)旋流器總進(jìn)氣面積造成影響。在燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常先確定進(jìn)入旋流器的總流量，即旋流器總有效面積不變，然后再根據(jù)特定的性能需求（燃燒性能、點(diǎn)熄火性能等）去選擇合適的第1、2 級(jí)旋流器流量分配。本文通過(guò)數(shù)值模擬探究在旋流器總面積不變的情況下，第1、2級(jí)旋流器氣量比對(duì)旋流器出口流場(chǎng)的影響，并結(jié)合流量特性試驗(yàn)和粒子圖像測(cè)速儀(Particle Image Velocimetry,PIV)流場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 研究方案

雙級(jí)旋流器模型（如圖1 所示）主要是由第1、2級(jí)旋流器和文氏管、套筒組成。第1、2 級(jí)旋流器均為軸向旋流器，第1、2 級(jí)葉片旋向相反。保證每個(gè)方案總有效面積、套筒以及文氏管出口高度不變，通過(guò)移動(dòng)文氏管徑向位置來(lái)改變第1、2 級(jí)面積比，其中和分別為第1、2級(jí)旋流器的有效面積。4種不同的旋流器方案（SW1、SW2、SW3、SW4）見(jiàn)表1。表中和為各旋流器方案的第1、2 級(jí)旋流數(shù)，采用式（1）計(jì)算得到。從表中可見(jiàn)，不同方案的第1、2 級(jí)旋流數(shù)變化不大，說(shuō)明本文中的流場(chǎng)變化主要由氣量分配引起。

圖1 雙級(jí)旋流器模型

表1 旋流器方案

式中：為旋流器內(nèi)徑與外徑之比；為葉片幾何偏轉(zhuǎn)角。

為了更好地解釋本文的現(xiàn)象，對(duì)4 種旋流器方案分別堵住第1、2 級(jí)旋流器通道，來(lái)研究單級(jí)旋流器變化對(duì)流場(chǎng)的影響。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 流量特性試驗(yàn)

流量特性試驗(yàn)的具體步驟為：首先堵住噴嘴安裝孔，錄取流過(guò)雙級(jí)旋流器的總流量，然后堵住第1 級(jí)旋流器，測(cè)出相同壓降下流經(jīng)第2 級(jí)旋流器的流量，用總流量減去第2 級(jí)的流量，得出被堵的第1 級(jí)旋流器的流量，最后根據(jù)式（2）計(jì)算得到各級(jí)旋流器的有效面積。其中，流量測(cè)試精度為±1%FS，壓力測(cè)試精度為±0.2%FS，溫度測(cè)試精度為±1.0 K。

式中：為空氣密度；△為旋流器進(jìn)、出口壓差；為試驗(yàn)所測(cè)流量。

2.2 PIV試驗(yàn)

PIV 試驗(yàn)裝置如圖2 所示。試驗(yàn)件進(jìn)、出口壓差為3000 Pa。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在渦流器出口平面中心，為渦流器出口套筒內(nèi)徑。進(jìn)行PIV 試驗(yàn)時(shí)需要配置示蹤粒子發(fā)生器，本試驗(yàn)采用液態(tài)植物油作為示蹤粒子，粒徑范圍為1～5 μm。

圖2 PIV試驗(yàn)裝置

3 幾何模型與計(jì)算方法

3.1 幾何模型與網(wǎng)格

計(jì)算域模型如圖3 所示，渦流器出口流域?yàn)?5，高度為2.5。計(jì)算域網(wǎng)格局部如圖4所示。對(duì)于旋流器葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格劃分，對(duì)于前、后流體域等結(jié)構(gòu)進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。為保證計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，對(duì)于旋流器部分網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，對(duì)后流域網(wǎng)格尺寸適度加大，交界面采用inter?face 連接。在經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)600 萬(wàn)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與900 萬(wàn)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且這2 種網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果較為接近，因此確定整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格為600萬(wàn)。

圖3 計(jì)算域模型

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格局部

3.2 計(jì)算方法與邊界條件

采用ANSYS Fluent 16 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。采用Re?alizable-湍流模型搭配標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，不同湍流模型及壁面函數(shù)的計(jì)算結(jié)果與PIV 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5 所示。壓力速度耦合方法為SIMPLEC 格式。各項(xiàng)的空間離散方法分別為：梯度離散為基于網(wǎng)格單元的最小二乘法格式，壓力項(xiàng)為2 階格式，動(dòng)量、能量以及其他所有項(xiàng)均選用2 階迎風(fēng)格式。數(shù)值計(jì)算的收斂條件為連續(xù)相方程的殘差量級(jí)≤10，其余方程的殘差量級(jí)≤10，計(jì)算域出口流量波動(dòng)≤0.1%。

圖5 不同湍流模型及壁面函數(shù)的計(jì)算結(jié)果與PIV試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（SW2）

邊界條件保持和試驗(yàn)一致，壓差為3000 Pa，前、后流域壁面為固壁邊界。

3.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所采用計(jì)算方法與計(jì)算網(wǎng)格的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。本文研究了4 種旋流器結(jié)構(gòu)有效流通面積的計(jì)算結(jié)果與流量特性試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差，見(jiàn)表2。Dual 表示雙級(jí)旋流器共同作用，Primary 表示第1 級(jí)旋流器單獨(dú)作用，Secondary 表示第2 級(jí)旋流器單獨(dú)作用。從表中可見(jiàn)，雙級(jí)旋流器總的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，第2 級(jí)旋流器的相對(duì)誤差基本不變，在3%以內(nèi)，而第1 級(jí)旋流器的相對(duì)誤差逐漸增大，這是因?yàn)槲氖瞎軐?duì)第1 級(jí)旋流器有阻礙作用，且隨第1 級(jí)旋流器節(jié)流面積的增加而有所增加，造成計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間產(chǎn)生誤差，但相對(duì)誤差均在7%以內(nèi)。

表2 4種旋流器結(jié)構(gòu)有效流通面積ACd的計(jì)算結(jié)果與流量特性試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差

SW2旋流器方案不同軸向位置軸向速度、徑向速度的計(jì)算結(jié)果與PIV 試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7 所示。從圖中可見(jiàn)，計(jì)算得到的軸向速度與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，徑向速度在/≤0.33 范圍內(nèi)誤差相對(duì)較大，這可能是氣流從旋流器出來(lái)后徑向速度變化較為劇烈造成的。綜合來(lái)看，本文所采用的計(jì)算方法和計(jì)算網(wǎng)格均較為合適，可以繼續(xù)探討氣量分配對(duì)旋流器出口流場(chǎng)的影響。

圖6 SW2旋流器方案不同軸向位置軸向速度的計(jì)算結(jié)果與PIV試驗(yàn)結(jié)果

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 軸向速度分布

不同雙級(jí)旋流器方案的軸向速度沿徑向分布如圖8 所示。從圖中可見(jiàn)，隨著第1、2 級(jí)旋流器面積比的增大，回流區(qū)速度降低，回流區(qū)外側(cè)擴(kuò)張錐面速度也降低。這是因?yàn)樵陔p級(jí)軸向旋流器中，第1 級(jí)旋流器主要用來(lái)促進(jìn)燃油霧化，第2 級(jí)旋流器主要用來(lái)構(gòu)建典型流場(chǎng)，形成回流區(qū)。隨著第1、2 級(jí)氣量比增大，第1、2 級(jí)旋流摻混作用增強(qiáng)，第1 級(jí)旋流對(duì)第2 級(jí)旋流切向動(dòng)量的削弱增強(qiáng)，旋流切向動(dòng)量衰減速度變快，造成相同軸向位置的回流速度降低。

圖8 不同雙級(jí)旋流器方案的軸向速度沿徑向分布

4.2 徑向速度分布

不同雙級(jí)旋流器方案的徑向速度沿徑向分布如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，隨著第1、2級(jí)面積比的增大，旋流器出口氣流徑向速度逐漸降低，氣流擴(kuò)張角逐漸減小，經(jīng)計(jì)算得到擴(kuò)張半角由61°減小至51°，減小幅度為16.4%。這是因?yàn)?，隨著氣量比增大，第1級(jí)旋流器的旋流流量增大，第1、2 級(jí)旋流間的相互削弱的程度升高，由旋轉(zhuǎn)引起的離心力減小，徑向速度降低，氣流擴(kuò)張角減小。

圖9 不同雙級(jí)旋流器方案的徑向速度沿徑向分布

圖7 SW2旋流器方案不同軸向位置徑向速度的計(jì)算結(jié)果與PIV試驗(yàn)結(jié)果

4.3 回流區(qū)及回流率

不同雙級(jí)旋流器方案的中心回流區(qū)對(duì)比如圖10所示，圖中實(shí)線內(nèi)側(cè)為回流區(qū)。從圖中可見(jiàn)，隨著第1、2 級(jí)旋流器面積比的增加，回流區(qū)寬度有所減小，變化范圍為2.15～1.92，變化幅度為11.9%。結(jié)合徑向速度分布來(lái)看，氣流擴(kuò)張角與回流區(qū)寬度為正相關(guān)。第1、2 級(jí)面積比的增大造成氣流擴(kuò)張角的減小，也使得回流區(qū)寬度減小。

圖10 不同雙級(jí)旋流器方案的回流區(qū)對(duì)比

對(duì)于任意截面上的回流強(qiáng)度，可以用回流率來(lái)表示

式中：為回流率；為通過(guò)任意截面的凈回流流量；為總流量；為負(fù)值的軸向速度；為軸向速度；為不同橫截面內(nèi)壁面的半徑。

不同雙級(jí)旋流器方案的回流率如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，回流率沿軸向均為先增大后減小。隨著第1、2級(jí)面積比的增大，最大回流率軸向位置均位于/=1.5處，但數(shù)值逐漸減小，分別對(duì)應(yīng)1.53、1.36、1.05 和0.86，減小幅度達(dá)43.7%。

圖11 不同雙級(jí)旋流器方案的回流率

分析其原因，由式（3）可知回流率由回流速度以及回流區(qū)寬度共同決定，而回流速度主要受不同的下游逆壓梯度影響，回流區(qū)寬度主要受不同的氣流擴(kuò)張角影響。在相同壓差情況下，氣流擴(kuò)張角的減小造成了回流率的減小。

4.4 旋流數(shù)

旋流數(shù)是表征旋流器流動(dòng)最重要的1 個(gè)參數(shù)，定義為旋流器切向力矩和軸向推力之比

式中：為切向動(dòng)量的軸向通量；為軸向推力；為內(nèi)壁面的半徑。

對(duì)于本文中的旋流器方案，橫截面上可能會(huì)有回流，因此旋流數(shù)可推導(dǎo)為

式中：R為外側(cè)半徑；R為內(nèi)側(cè)半徑；為軸向速度；為切向速度；為流體密度；為當(dāng)?shù)匕霃健?/p>

不同雙級(jí)旋流器方案第1、2 級(jí)旋流數(shù)沿軸向位置變化如圖12、13 所示。旋流數(shù)沿軸向位置變化較大，與表1 中理論計(jì)算值有較大差別。原因是理論計(jì)算值沒(méi)有考慮葉片下游環(huán)形通道截面積變化的影響，對(duì)真實(shí)旋流數(shù)的計(jì)算有較大偏差。隨第1、2 級(jí)旋流器氣量比增大，第1級(jí)旋流數(shù)逐漸減小，第2級(jí)旋流數(shù)逐漸增大。這是因?yàn)樵诒ＷC總流量不變的情況下，第1級(jí)旋流器流量的增加意味著第2級(jí)旋流器流量的減少，而流量增加使得軸向分量增加，流量減小則軸向分量也減小。在2 級(jí)旋流尚未接觸時(shí)，各自的切向分量基本不變，因此第1 級(jí)旋流數(shù)減小，第2 級(jí)旋流數(shù)增加。

圖12 雙級(jí)旋流器中的第1級(jí)旋流數(shù)沿軸向位置變化

圖13 雙級(jí)旋流器中的第2級(jí)旋流數(shù)沿軸向位置變化

不同雙級(jí)旋流器方案總旋流數(shù)沿軸向位置變化如圖14 所示。從圖中可見(jiàn)，各旋流器方案總旋流數(shù)在文氏管出口與套筒出口之間急劇減少后變緩。這是因?yàn)樵谖氖瞎艹隹诮孛嫣?，?、2 級(jí)旋流開始接觸，由于2 級(jí)旋流旋向相反且旋流數(shù)都較大，所以第1、2 級(jí)旋流摻混劇烈，雙級(jí)旋流數(shù)急劇減小，到套筒出口截面，第1、2級(jí)旋流摻混過(guò)程已經(jīng)完成，第2級(jí)旋流將第1 級(jí)旋流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量全部耗散，各方案的旋流數(shù)均處于較低水平（0.1~0.4），不同方案之間差別較小且流動(dòng)趨于平緩。對(duì)比不同的旋流器方案可知，隨著第1、2 級(jí)面積比的增大，各位置的雙級(jí)旋流數(shù)均有所減少。這是由于第1 級(jí)旋流器的旋流流量增大，第1、2 級(jí)旋流間的相互削弱的程度提高，2 級(jí)旋流充分摻混后旋流數(shù)的減少也更加明顯。

圖14 雙級(jí)旋流器中的總旋流數(shù)沿軸向位置變化

圖16 第2級(jí)旋流器單獨(dú)作用時(shí)旋流數(shù)沿軸向位置變化

第1、2 級(jí)旋流器單獨(dú)作用時(shí)旋流數(shù)沿軸向位置變化如圖15、16 所示。從圖中可見(jiàn)，在文氏管出口截面之前，旋流數(shù)變化規(guī)律與雙級(jí)旋流器共同作用時(shí)的基本一致。在文氏管出口截面之后，單級(jí)旋流器作用與雙級(jí)旋流器共同作用的差別較大。因此可以說(shuō)明，單級(jí)旋流器與雙級(jí)旋流器的區(qū)別主要體現(xiàn)在文氏管出口處的旋流數(shù)。

圖15 第1級(jí)旋流器單獨(dú)作用時(shí)旋流數(shù)沿軸向位置變化

不同旋流器方案的回流區(qū)寬度見(jiàn)表3。從表中可見(jiàn)，單級(jí)旋流作用和雙級(jí)旋流器作用下的變化規(guī)律基本一致，即隨著文式管出口截面處的旋流數(shù)增加，回流區(qū)寬度增加，說(shuō)明在相同的結(jié)構(gòu)形式下，文式管出口截面處的旋流數(shù)是決定下游流場(chǎng)的關(guān)鍵因素。對(duì)于雙級(jí)旋流器來(lái)說(shuō)，不同的氣量分配改變第1、2 級(jí)旋流器在文式管出口截面的旋流數(shù)，進(jìn)而改變了第1、2級(jí)旋流相互摻混的強(qiáng)弱，并最終影響下游流場(chǎng)。

表3 不同旋流器方案的回流區(qū)寬度（無(wú)量綱）

5 結(jié)論

（1）隨著第1、2 級(jí)旋流器面積比的增加，旋流器下游軸向速度、徑向速度降低，氣流擴(kuò)張角、回流區(qū)寬度以及回流率均逐漸減小；

（2）不同氣量分配的雙級(jí)旋流摻混過(guò)程主要發(fā)生在文氏管出口與套筒出口之間，經(jīng)過(guò)套筒出口截面后，旋流數(shù)均小于0.4，第2 級(jí)旋流將第1 級(jí)旋流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量全部耗散；

（3）不同氣量分配的雙級(jí)旋流器改變了第1、2 級(jí)旋流器在文氏管出口截面的旋流數(shù)，進(jìn)而改變了第1、2級(jí)旋流相互摻混的強(qiáng)度，并最終影響了下游流場(chǎng)。