燃燒室貧油多旋流預混合預蒸發特性數值研究

周君輝，王力軍

（沈陽航空航天大學動力與能源工程學院，沈陽 110136）

1 引言

當前，航空燃氣輪機正向高溫升、大功率、高推重比方向發展，對燃油霧化、高效燃燒、減少排氣發散的要求也隨之提高。Hayashi等人研究[1，3]發現,霧化惡化、蒸發不完全和油氣混合不均勻性對NOx的排放影響顯著；采用反旋的第2級軸向渦流器可抑制預混管出口回流區或者中心低速區的形成，從而避免回火的產生。林宇震提出了分級/貧油預混預蒸發低污染燃燒方案，考慮采用分級燃燒與LPP相結合的方法，降低污染物排放[4]。同時新型結構燃燒室貧油預混預蒸發(LPP)方案也應運而生[5]。LPP燃燒室采用低油氣比的燃油和部分空氣先預混合、蒸發,形成較為均勻的可燃混合物后進入燃燒區,使燃燒室主燃區局部區域能在比傳統燃燒室更貧油的條件下工作；降低火焰峰值溫度,從而減少NOx的排放[6]。然而，對在多旋流LPP過程形成燃油蒸汽與空氣可燃混合物這一決定高效低NOx燃燒的關鍵過程的研究卻鮮見報道。

本文利用CFD模擬燃燒室內頭部2級旋流器的預混合預蒸發過程，著重研究第1、2級旋流器之間的流量分配比對預混預蒸發效果的影響。

2 數值模型及數值方法

2.1 試驗模型結構

文獻[7]的試驗模型如圖1所示。該模型頭部為1個CFM56發動機第2級旋流器（如圖2所示），燃燒室簡化為1個76 mm×76 mm×200 mm的長方體。

2.2 網格劃分

燃燒室內采用6面體結構網格劃分，旋流杯內部結構比較復雜，因此采用4面網格劃分，總網格數為320000個。

2.3 數學模型與邊界條件

2.3.1 氣相湍流流動、混合控制方程

在湍流流動的數學模型中，湍流模型采用RNG k-ε方程。氣體流動的通用控制方程為

混合分數是其中1個標量，其定義為

式中：上劃線為時均值；mf為燃料質量分數；下標a、b為空氣流和燃料流中的值。

2.3.2 2相流控制方程

絕大多數噴霧模型采用軌跡模型。該模型將噴霧分成有代表性的n個組,每組有相同的位置、速度、溫度、直徑。用拉格朗日方法跟蹤這些離散液滴在全流場中的運動和輸運；氣相守恒方程用歐拉方法描述；液滴對氣相的影響通過在氣相守恒方程中加入相應的源項來考慮。控制液滴運動的拉格朗日方程為

在本文的噴霧模擬中,因液滴直徑很小，且根據所處環境,只考慮液滴阻力,而忽略其他作用力。

2.3.3 液霧蒸發模型

液滴蒸發過程通過求解Abramzon和Sirignano模型的液滴量和能量平衡的微分方程來模擬。考慮表面流動導致熱量和質量邊界層增厚,在模型中引入了FT和FM2個修正因數，表示熱量和史蒂芬流動擴散膜厚度的相應變化。液滴的質量蒸發率為

液滴的能量方程為

式中：L為燃油的蒸發潛熱；BT為Spalding的熱傳遞數，定義為BT=（1+ BM）φ-1

式中：Nu*為1個修正Nu，分別用Nu和FT來替換Sh和FM。

2.3.4 邊界條件

燃燒室進口燃油流量為0.0017 kg/s，空氣總流量為0.0035 kg/s,空氣溫度為800 K，燃燒室出口為壓力出口。燃燒室壁面為恒溫，離散相在壁面采用“wall-jet”邊界。

3 計算條件與計算結果分析

基于他人的試驗研究結果[7]，本課題在旋流器結構和總空氣流量等其它條件不變的情況下，改變第2級旋流的空氣流量分配，研究其對LPP過程的影響和最佳空氣流量比范圍。采用的計算條件見表1。

表1 計算條件 kg/s

試驗流場如圖3所示，計算流場如圖4所示。從圖3、4對比可見，計算流場基本形狀、回流區大小、旋流杯出口最大速度都與試驗結果比較符合，說明本文所采用的數學模型計算條件可靠。

在第 1、2 級旋流器之間流量比為 1∶3～1∶6 時，平均混合分數場如圖5～8所示,為1∶3～1∶6時的混合分數脈動場如圖9～12所示。

從圖5中可見，當第1、2級旋流器流量比為1∶3時，燃燒室內的混合分數場f分布很不均勻，且旋流杯內部混合分數值很小，說明燃油大部分是在燃燒室內混合蒸發的。從圖9中可見，脈動值最大處也在燃燒室內，旋流杯內部只有很小的脈動值。說明這個流量比沒有達到在旋流杯內部分預混預蒸發的目的，這是由于第1級旋流器是斜切入孔式旋流器，如果流量過大會造成軸向速度過大，回流的強度變小，使燃油在旋流杯內部的停留時間過短，燃油來不及完成部分預混預蒸發就被噴入燃燒室。可以預測，當流量比大于1∶3時，軸向速度更大，從而更不能達到在旋流杯內部的油氣部分預混預蒸發的目的。

第1、2級旋流器的流量比減小到1∶4時，由圖6～10可知，旋流杯內部混合分數脈動值增大，平均混合分數也逐漸增大，燃燒室內平均混合分數值比較平均。這充分說明在旋流杯內部預混預蒸發的效果越來越好。但是當比例減小至1∶6時（如圖8所示），在旋流杯內文氏管處平均混合分數值明顯過大，使旋流杯內部發生燃燒，造成旋流杯結構損壞。因此，流量比1：6也不可取。

數值模擬得到的各流量比的混合分數不均勻系數的對比見表2。混合分數不均勻系數定義為

S=σ/f

式中：f為燃燒室內平均混合分數的平均值；σ為燃燒室內平均混合分數的標準差。

表2 平均混合分數不均勻系數

從表2中可見，流量分配比例越小，燃燒室內混合分數越均勻。這說明油氣混合程度也越均勻。由于流量比小于1∶6后旋流杯內部燃油濃度過高，所以排除小于1∶6的流量分配比例。

綜上分析，1∶4、1∶5 是該模型比較適合的流量分配比。在該流量比下，使得燃油LPP形成的可燃混合氣能預先在多旋流器內部部分形成，進而在頭部均勻形成。合適而均勻的局部油氣比是達到高效均勻燃燒的重要條件。

4 結論

（1）對于多旋流擴散燃燒室頭部，在多旋流旋流器內部存在較為重要的燃油LPP過程。研究表明，多旋流空氣入口流量分配對LPP效果有重要影響。

（2）較小的流量分配比會使預混預蒸發過程部分發生在旋流杯內部，進而在燃燒室內油氣分布比較均勻，但過小的比例會造成強烈的回流，旋流杯內油霧不能進入燃燒室，從而聚集在旋流杯內，使旋流杯內部局部油氣比過高，發生偏燒。

（3）較大的流量分配比會使旋流杯內部不能完成預混預蒸發過程，從而使燃燒室內油氣分布不均勻，不能達到高效燃燒的要求。

（4）對于本文的研究模型來說，比較合理的流量分配比為1∶4和1∶5。本文2相流流動規律的計算結果與他人的試驗結果相符合。

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