駐渦燃燒室駐渦區(qū)渦系特點(diǎn)數(shù)值模擬

彭春梅，何小民，金 義

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求越來越高。燃燒室是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,為了滿足高性能低污染要求，美國空軍研究所（AFRL）和通用發(fā)動(dòng)機(jī)（GEAE）公司于20世紀(jì)90年代提出了駐渦燃燒室（Trapped Vortex Combustor，TVC）概念，目前已經(jīng)發(fā)展到第4代[1-4]。與過去40年來普遍采用的旋流器燃燒室相比，駐渦燃燒室采用1種不同的燃燒組織方式。燃燒室主要分為2部分，包括駐渦區(qū)和主燃區(qū)。利用凹腔形成旋流，駐渦區(qū)主要起到火焰穩(wěn)定和小功率燃燒的作用，主流主要起到大狀態(tài)時(shí)的燃燒作用。駐渦區(qū)內(nèi)的燃料和空氣以一定方式單獨(dú)供入凹腔內(nèi)，在較寬范圍的主流進(jìn)氣狀況下建立穩(wěn)定的回流區(qū)。國內(nèi)外對(duì)駐渦燃燒室開展了大量研究，結(jié)果表明:駐渦燃燒室具有結(jié)構(gòu)簡單、貧富油極限寬、高空再點(diǎn)火性能優(yōu)越、可在更寬廣的油氣范圍內(nèi)保持高燃燒效率等優(yōu)點(diǎn)[4]。駐渦區(qū)的特性對(duì)燃燒室性能有重要影響，特別是駐渦區(qū)渦系特點(diǎn)。駐渦區(qū)內(nèi)主要存在2個(gè)渦，分別為主渦和副渦。對(duì)駐渦區(qū)的流場結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律也開展了一些研究。文獻(xiàn)[5]分析了主流對(duì)凹腔渦流動(dòng)的影響，文獻(xiàn)[6]對(duì)駐渦腔前駐體有無噴射2種情況下的旋渦分布進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[7]研究了凹腔結(jié)構(gòu)對(duì)駐渦區(qū)旋渦的影響,但這些都是籠統(tǒng)地研究駐渦區(qū)旋渦，沒有詳細(xì)分析駐渦區(qū)各縱橫截面的旋渦特性。

駐渦區(qū)渦系結(jié)構(gòu)主要受駐渦區(qū)結(jié)構(gòu)和進(jìn)口氣動(dòng)參數(shù)等的影響，本文主要通過變化駐渦區(qū)的前進(jìn)口堵塞比和燃燒室進(jìn)口速度的方法改變駐渦區(qū)的進(jìn)口結(jié)構(gòu)形式和入口速度，采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)駐渦區(qū)流場，特別是渦系結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)駐渦區(qū)不同縱橫截面的流場進(jìn)行詳細(xì)討論，分析駐渦區(qū)渦系特點(diǎn)，總結(jié)相應(yīng)的變化規(guī)律。

1 計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文研究的對(duì)象是在前期對(duì)駐渦燃燒室探索研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的燃燒室[4,8-9]。考慮到整個(gè)燃燒室的周期性，物理模型選用1個(gè)頭部，不簡化模型。駐渦燃燒室單頭部物理模型如圖1所示，研究對(duì)象如圖2所示。單頭部駐渦燃燒室長353 mm，寬60 mm，高172 mm，駐渦區(qū)前進(jìn)口寬60 mm，高4 mm。

圖1 駐渦燃燒室單頭部幾何模型

圖2 研究對(duì)象幾何模型

1.2 計(jì)算方法和邊界條件

數(shù)值計(jì)算采用FLUENT專用的前處理軟件GAMBIT對(duì)所建立的3維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)局部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密。生成的六面體網(wǎng)格總數(shù)約為141萬。計(jì)算過程中采用基于壓力耦合的離散穩(wěn)態(tài)隱式求解器，各參數(shù)的離散均采用精度較高的2階迎風(fēng)差分格式，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型模擬紊流黏性，湍流度設(shè)為5%。流體設(shè)為常物性不可壓氣體（air）。以各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果的殘差均小于10-6來判斷解是否收斂。

燃燒室進(jìn)出流邊界條件：入口為速度入口，其中入口速度分別設(shè)為50、85和120 m/s，溫度設(shè)為300 K，靜壓設(shè)為大氣壓；出口為壓力出口；燃燒室兩側(cè)截面設(shè)置為周期性邊界條件。

駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比直接影響到駐渦區(qū)流量和流場特性，從而影響駐渦區(qū)渦系特點(diǎn)。研究過程中通過改變駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比，得到所需的流量和流場。研究時(shí)，堵塞前進(jìn)口的中部，變化堵塞面積，堵塞比分別為20%、40%和60%，在不同燃燒室入口速度下，研究駐渦區(qū)的流動(dòng)特性。涉及到3種駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比和3種燃燒室入口速度，共9種組合，分析其縱橫截面的流線圖及壓力云圖，研究不同駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比和不同燃燒室入口速度對(duì)渦系的影響。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

模擬了3種駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比分別為20%、40%和60%；3種燃燒室入口速度分別為50、85和120 m/s。取不同截面流線和靜壓分布云圖進(jìn)行分析，研究其渦系特點(diǎn)。

Z/D=0.10，為過駐渦區(qū)前進(jìn)口、聯(lián)焰板堵塞截面；Z/D=0.25，為過主流和駐渦區(qū)前進(jìn)口截面；Z/D=0.50，為過主流、駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞截面，是燃燒室的對(duì)稱面。各截面選取如圖2所示。

試驗(yàn)拍攝PIV如圖3所示。從圖3中可見，主流被聯(lián)焰板堵塞的截面，駐渦區(qū)只存在主渦，為單渦結(jié)構(gòu)，主渦位于凹腔中部左右；主流截面駐渦區(qū)主要存在2個(gè)旋渦。主渦幾乎占據(jù)了整個(gè)駐渦區(qū)，整體形狀呈橢圓形，流線光滑，形態(tài)飽滿。

圖3 試驗(yàn)PIV

2.1 駐渦區(qū)縱截面的旋渦特性

在堵塞比為20%、燃燒室入口速度為50 m/s時(shí)，對(duì)駐渦區(qū)不同縱截面（Z/D=0.10、0.25和0.50，如圖4所示）流場進(jìn)行分析，研究其旋渦特點(diǎn)。圖4中流線顯示駐渦區(qū)內(nèi)主要存在2個(gè)渦，分別為主渦和副渦，主渦位于凹腔中部，主流被聯(lián)焰板堵塞的截面為單渦結(jié)構(gòu)，主渦在流動(dòng)方向上幾乎占據(jù)整個(gè)駐渦腔，形態(tài)較飽滿，整體形狀呈橢圓形，流線較為光滑，與試驗(yàn)結(jié)果相符，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。氣流從駐渦腔前壁進(jìn)入駐渦區(qū)后，在壓力驅(qū)動(dòng)下向該區(qū)運(yùn)動(dòng)，與駐渦腔后壁進(jìn)口氣流相互作用，共同形成主渦。副渦處于駐渦腔與主流交界處，其流體整體逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，旋渦形態(tài)沿軸向拉伸，強(qiáng)度較小。由于主渦被副渦隔離于駐渦腔中，則主流的高速運(yùn)動(dòng)對(duì)其影響較小，處于相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)環(huán)境。主渦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氣流速度不高，為穩(wěn)定點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。副渦保護(hù)凹腔中的主渦免受主流的干擾，并起到熱量傳遞的作用。

圖4 堵塞比為20%、燃燒室入口速度為50 m/s時(shí)縱截面流線和壓力

3個(gè)特征截面均存在主渦。截面Z/D=0.25和Z/D=0.50時(shí)旋渦特點(diǎn)相似，在駐渦區(qū)與主流交界處存在明顯的副渦，這是由于主渦下部沿旋渦回流的部分氣體與主流進(jìn)來的高速氣流作用，被折回，從而形成副渦，并被主流托住。截面Z/D=0.10，該截面主流被聯(lián)焰板堵塞，主渦下部靠近主流處，氣體有沿旋渦回流的趨勢(shì)，但由于主流被聯(lián)焰板堵塞，該處為低壓區(qū)，因此部分氣體向聯(lián)焰板及鈍體后面的低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)，在鈍體后產(chǎn)生回流。

2.2 駐渦區(qū)橫截面的旋渦特性

在駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比為20%、燃燒室入口速度為50 m/s時(shí)，對(duì)駐渦區(qū)設(shè)置5個(gè)軸向評(píng)判截面：X/L=0.3、0.4、0.5、0.6和0.7，詳細(xì)研究各截面旋渦情況（如圖5所示）。

圖5 堵塞比20%、燃燒室入口速度50m/s時(shí)橫截面流線和壓力

從圖5中可見，凹腔上游靠近前壁的截面無旋渦形成，凹腔軸向中心位置附近存在明顯的旋渦，但旋渦強(qiáng)度較弱，形態(tài)不飽滿，在凹腔軸向中心位置處旋渦最大，形態(tài)最飽滿，距離凹腔前壁越遠(yuǎn)的橫截面上旋渦渦心距越大，靠近凹腔后壁的橫截面上無旋渦存在。而且，氣流從駐渦區(qū)前進(jìn)口進(jìn)入，在壓力驅(qū)動(dòng)下一邊向堵塞所對(duì)應(yīng)的區(qū)域偏轉(zhuǎn)，一邊向下運(yùn)動(dòng)，到主流處由于壓力較高，被主流托住，氣流不能直接流進(jìn)主燃區(qū)與主流摻混，于是向燃燒室兩側(cè)截面偏轉(zhuǎn)，一部分往回繞形成旋渦，一部分從聯(lián)焰板引入主燃區(qū)。

凹腔上游靠近前壁的截面X/L=0.3，旋渦在此位置正好往凹腔底部回繞，流線朝向凹腔底部。X/L=0.4處有較明顯的旋渦存在，但旋渦形態(tài)不飽滿，渦心距較小，渦心大約分別在Z向1/3和2/3處，從駐渦腔前進(jìn)口進(jìn)入的空氣由于慣性、壓力驅(qū)動(dòng)向凹腔后壁運(yùn)動(dòng)，與后壁進(jìn)口進(jìn)入的空氣作用形成旋渦，旋渦位于軸向中心位置附近，由于該截面位于凹腔軸向中心位置上游，旋渦發(fā)展不夠充分，形態(tài)不飽滿。X/L=0.5截面為軸向中間截面，該截面上旋渦最大，形態(tài)飽滿，流線光滑，渦心距變大。該截面的流線圖顯示，旋渦渦心大約位于Z向1/4和3/4處，對(duì)應(yīng)縱截面Z/D=0.25附近，如縱截面流線圖所示，在凹腔軸向中心位置處存在明顯的旋渦，且主渦渦心位于凹腔軸向中心位置，即0.5 L處。軸向距離繼續(xù)增大，到X/L=0.6截面,旋渦較小，形態(tài)不飽滿，渦心距較大，渦心大約在Z向1/8和7/8位置處，對(duì)應(yīng)縱截面Z/D=0.1附近，該縱截面主渦渦心位于凹腔軸向中心偏右大約0.6 L處，因此縱橫截面旋渦特點(diǎn)符合較好。X/L=0.7截面，無旋渦存在，在壓力驅(qū)動(dòng)下，氣流直接從凹腔底部流向主流，反映在縱截面上即為凹腔下游靠近后壁面的流體均沿靠近后壁的路徑直接流向燃燒室中心與主流混合。

2.3 堵塞比對(duì)流動(dòng)特性的影響

駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比分別為20%、40%和60%，燃燒室入口速度分別為 50、85和120 m/s，X/L=0.5截面的流線和壓力分布分別如圖6～8所示，駐渦區(qū)前進(jìn)口流量變化曲線如圖9所示，駐渦區(qū)前進(jìn)口流速變化曲線如圖10所示。在不同駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比和不同燃燒室入口速度下的渦心距和渦通量分別見表 1、2。

圖9 駐渦區(qū)前進(jìn)口流量變化曲線

圖10 駐渦區(qū)前進(jìn)口流速變化曲線

表1 渦心距 mm

表2 渦通量 mm

從圖6～8中可見，在相同堵塞比、不同燃燒室入口速度時(shí)，駐渦區(qū)軸向中間截面的旋渦結(jié)構(gòu)幾乎沒有區(qū)別；在相同燃燒室入口速度、不同堵塞比時(shí)，駐渦區(qū)軸向中間截面的旋渦相差較大。從表1、2中可見，在同一堵塞比時(shí)，燃燒室入口速度越大，旋渦強(qiáng)度越大，渦心距幾乎不變。其原因是燃燒室入口速度越大，駐渦區(qū)前進(jìn)口的流體速度越大，流量越大，致使旋渦強(qiáng)度越強(qiáng)。在相同燃燒室入口速度下，堵塞比不同，從駐渦區(qū)前進(jìn)口進(jìn)入的流體速度幾乎相同，堵塞比越大，駐渦區(qū)前進(jìn)口流量越小，旋渦強(qiáng)度越弱，旋渦形態(tài)變得不規(guī)則、不飽滿。隨著堵塞比增大，渦心距也增大。圖8中由于駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比太大（60%），旋渦實(shí)際發(fā)展空間相對(duì)狹小，旋渦形態(tài)不飽滿，流線不光滑。

3 結(jié)論

通過改變駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比和燃燒室入口速度，對(duì)燃燒室進(jìn)行數(shù)值模擬，取駐渦區(qū)典型截面流線和靜壓分布圖，分析駐渦區(qū)流場特點(diǎn)，研究駐渦區(qū)渦系特性，得到以下結(jié)論：

（1）駐渦區(qū)的旋渦是3維的，不同截面旋渦特點(diǎn)不同，主流被聯(lián)焰板堵塞的凹腔縱截面只存在主渦,為燃燒室穩(wěn)定點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定提供條件。

（2）駐渦區(qū)不同橫截面的旋渦差別較大，在凹腔軸向中心位置處形態(tài)最飽滿，離駐渦區(qū)前壁越遠(yuǎn)截面的旋渦渦心距越大，貼近凹腔前壁和后壁的截面均無旋渦存在。燃燒室入口速度對(duì)駐渦區(qū)軸向中間截面的旋渦結(jié)構(gòu)沒有影響，駐渦區(qū)前進(jìn)口堵塞比對(duì)旋渦影響較大。前進(jìn)口堵塞比一定時(shí)，燃燒室入口速度越大，駐渦區(qū)前進(jìn)口流速越大，流量越大，旋渦強(qiáng)度越大，渦心距幾乎不變。燃燒室入口速度一定時(shí)，駐渦區(qū)前進(jìn)口速度幾乎相同，堵塞比越大，流量越小，旋渦強(qiáng)度越小，旋渦形態(tài)不飽滿，渦心距增大。

[1]Hsu K Y，Goss L P,Roquemore W M.Characteristics of a trapped vortex combustor[J].Journal of Propulsion and Power,1998,14（1）:57-65.

[2]Burrus D L,JOHNSON A W,ROQUEMORE W M,et al.Performance assessmentofa prototype trapped vortex combustorconceptforgasturbine application[R]ASME 2001-GT-87.

[3]樊未軍,易琪,嚴(yán)明,等.駐渦燃燒室凹腔雙渦結(jié)構(gòu)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006,26（9）：66-70.FAN Weijun,YI Qi,YAN Ming,et al.A study of double vortex structure in the vortex combustor[J].Proceedings of the CSEE,2006,26（9）：66-70.（in Chinese）

[4]何小民,姚峰.流動(dòng)和油氣參數(shù)對(duì)駐渦燃燒室燃燒性能的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2006，21（5）：810-813.HE Xiaomin,YAO Feng.Effect of flow parameters and equivalence ratio on the trapped vortex combustor performance[J].Journal of Aerospace Power，2006，21 （5）：810-813.（in Chinese）

[5]李瑞明，劉玉英，楊茂林，等.駐渦燃燒室主流對(duì)凹腔渦流動(dòng)的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009,24（7）：1482-1487.LI Ruiming,LIU Yuying,YANG Maolin,et al.Impact of mainstream on the vortex flow of cavity in trapped vortexcombustor[J].Journal of Aerospace Power，2009,24（7）：1482-1487.（in Chinese）

[6]劉世青,鐘兢軍.駐渦燃燒室內(nèi)渦系分布研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（4）：103-107.LIU Shiqing,ZHONG Jingjun.Distribution of the vortex in the trapped vortex combustor[J].Journal of Dalian Maritime University，2009，35（4）：103-107.（in Chinese）

[7]Sturgess G J,Hsu K Y.Entrainment of mainstream flow in a trapped vortex combustor[R].AIAA-1997-261.

[8]何小民，許金生，蘇俊卿.駐渦燃燒室燃燒性能試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，24（2）：318-323.HE Xiaomin,XU Jinsheng,SU Junqing.Experimental research of the performance of the trapped vortex combustor[J].Journal of Aerospace Power，2009，24（2）：318-323.（in Chinese）

[9]金義，何小民，蔣波.富油燃燒/快速淬熄/貧油燃燒(RQL)工作模式下駐渦燃燒室排放性能試驗(yàn) [J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2011，26（5）：1031-1036.JIN Yi,HE Xiaomin,JIANG Bo.Experimental study on emission performance of rich-burn quick-quench lean-burn(RQL)trapped-vortex combustor[J].Journal of Aerospace Power，2011，26（5）：1031-1036.（in Chinese）

[10]楊事民，唐豪，黃玥.帶凹腔的超聲速燃燒室燃燒流場數(shù)值模擬[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2008，34（3）：35-38.YANGShimin,TANGHao,HUANGYue.Numerical simulation of combustion flow field of supersonic combustor with cavity[J].Aeroengine,2008,34（3）：35-38.