后鈍體開口先進旋渦燃燒室燃燒特性的數值研究*

王志凱，曾卓雄，徐義華

(1 南昌航空大學飛行器工程學院，南昌 330063;2 上海電力學院能源與機械工程學院，上海 200090)

0 引言

美國Ramgen公司［1］提出了先進旋渦燃燒室(advanced vortex combustor，AVC)的概念，依靠前后兩鈍體形成的凹腔穩定火焰。燃燒過程中，回流旋渦結構受前鈍體的遮擋，不受主氣流脈動的影響。AVC因其結構簡單、重量輕、燃燒穩定性強、燃燒效率高、污染物排放低等特點［2］，成為具有發展前景的燃燒室設計方案。

鄧洋波等［3－4］對AVC的流動及燃燒特性進行了數值模擬，結果表明AVC流場穩定、燃燒效率高、總壓損失低且污染少。劉世青等［5－6］對AVC鈍體結構參數及形狀進行了研究，結果表明不同的鈍體結構參數及形狀對燃燒室流動性能有一定的影響。文獻［7－9］對AVC燃料噴射進行了數值模擬，得到了較為理想的后鈍體噴射位置、噴孔直徑及噴射角度。

AVC凹腔內以及后鈍體后側可以形成穩定對稱的旋渦對，二者中心軸線上流場的方向一致，于是筆者［10］將AVC后鈍體開口，即在中心軸線方向上將后鈍體貫穿，使凹腔與后鈍體后側回流區連通，使后鈍體后側回流區熱質進入凹腔，通過數值模擬發現后鈍體開口結構可以有效提高凹腔溫度，且溫度分布更加均勻。文中在獲得的最佳開口結構上對不同來流速度、來流溫度、壁面溫度及燃氣當量比下后鈍體開口AVC的流場、溫度場、總壓損失、燃燒效率及燃燒產物量進行了數值模擬，以得到在不同燃燒條件下后鈍體開口AVC的燃燒流動性能。

1 計算模型及方法

1.1 幾何模型及結構參數

文中AVC模型［10］如圖1所示，燃燒室通道尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，前鈍體結構尺寸為80 mm×60 mm×100 mm，后鈍體結構尺寸為20 mm×42 mm×100 mm，開口角度為100°，開口尺寸為2 mm，凹腔長度為36 mm。

圖1 后鈍體開口AVC結構模型

1.2 邊界條件

數值計算采用三維雷諾平均方程，湍流模型為Realizable k-ε model，近壁面采用標準壁面函數法進行處理，壁面邊界條件為無滑移，壓力-速度耦合采用SIMPLEC方法，擴散項采用二階中心差分，對流項采用二階迎風差分，燃燒模型為甲烷-空氣有限速率化學反應模型。

燃燒室入口為主流進口，邊界條件采用速度入口，入口來流速度(Vma)及來流溫度(Tma)見表1;燃燒室出口邊界條件為壓力出口;燃燒室壁面為等溫壁，壁面溫度(Twall)見表1。燃氣當量比記為Φ。

表1 燃燒條件參數

1.3 算例驗證

為驗證文中計算的合理性，將主燃區出口截面徑向溫度分布的計算結果與文獻［11］的實驗結果進行了對比，結果如圖2所示。由圖可見，計算結果與實驗結果吻合較好，表明文中所使用的計算模型與計算方法滿足精度要求。

2 計算結果與分析

2.1 來流速度對燃燒性能的影響分析

圖2 出口徑向溫度分布的實驗結果與計算結果對比

保持燃氣當量比 0.6，來流溫度 300 K，壁溫1 000 K，研究來流速度的變化對各燃燒性能指標的變化趨勢。為了對燃燒室內流場及溫度場變化進行直觀分析，研究云圖分布時文中選取燃燒室縱向中心截面(Z=50 mm)。

圖3顯示了不同來流速度下燃燒室速度流場分布情況。由圖可見，隨著來流速度的增大，燃燒室中心截面速度分布整體升高，這是因為增大來流速度，使得進入燃燒室氣流的動量增加。而凹腔以及后鈍體后側回流區旋渦結構保持穩定不變，表明AVC在不同來流速度下都有很好的穩焰作用，這是因為鈍體的遮蔽作用使得凹腔內流場免受主流脈動的影響。

圖3 不同來流速度下速度流場分布圖

圖4為不同來流速度下燃燒室溫度分布圖。由圖可見，高溫區域主要分布在凹腔內以及后鈍體后側區域，表明燃燒主要發生在凹腔及后鈍體后側。隨著來流速度的增大，燃燒室凹腔內高溫分布區域增大且更加均勻，其原因是來流速度越大，旋渦強度越大，渦旋轉越快，有利于燃料的快速均勻摻混［12］。

圖4 不同來流速度下溫度分布圖

圖5為來流速度對出口截面總壓損失及燃燒室燃燒效率的影響曲線。由圖可見，隨著來流速度的增大，總壓損失增大，原因在于氣流與鈍體的撞擊會造成較大的動壓損失，而且速度的增大使得氣體間、氣體與燃燒室壁面間的摩擦損失增大。

圖5 來流速度對總壓損失及燃燒效率的影響曲線

圖5同時也顯示燃燒效率隨著來流速度的增大而減小，原因是來流速度較小時，單位時間進入燃燒室的燃料流量較小，且駐留時間較長。速度增大，雖然化學反應速率加快，但由于有更多的混合物需要反應，所以完全反應需要更長的時間。

圖6為不同來流速度下燃燒室出口徑向CO2含量分布圖。由圖可見，對于不同的來流速度，CO2含量無明顯區別，表明在文中研究工況下，來流速度的增大對燃燒室出口徑向CO2分布影響不大。圖7為不同來流速度下燃燒室中心軸線上的H2O含量分布曲線。由圖可見，Vma=30 m/s時H2O分布最低，但各工況相差不大，表明來流速度的增大對燃燒室中心軸線上H2O含量影響不大。

圖6 不同來流速度下出口處徑向CO2含量分布

圖7 不同來流速度下中心軸線上的H2O含量分布

2.2 來流溫度對燃燒性能的影響分析

來流溫度的改變會引起燃燒室內溫度場的變化，進而對燃燒室燃燒性能產生影響。保持當量比0.6，來流速度50 m/s，壁溫1 000 K，研究來流溫度的變化對燃燒室流場、溫度場的影響變化規律。

圖8為不同來流溫度下燃燒室內速度流場分布圖。由圖可見，凹腔內及后鈍體后側都形成了相同的穩定回流區，表明不同的來流溫度均能保證AVC的凹腔穩焰及穩定燃燒。另外，隨著來流溫度的提高，燃燒室下游區域及出口處速度降低，表明來流溫度的改變引起燃燒室內溫度梯度的變化，進而影響到了速度場分布。

圖9為來流溫度對總壓損失及燃燒效率的影響曲線。由圖可見，隨著來流溫度的提高，燃燒室總壓損失先減小后保持不變，其原因是，燃燒室內氣流由于溫升會造成一部分總壓損失，而來流溫度越高，溫升越小，故總壓損失越小;當來流溫度提高到一定程度，燃燒室內溫升保持不變，故總壓損失保持恒定。

圖8 不同來流溫度下速度流場分布圖

圖9 來流溫度對總壓損失及燃燒效率的影響曲線

圖9還表明隨著來流溫度的提高，燃燒效率逐漸增大。其原因是，來流溫度越大，帶入燃燒室的初始熱量值越大，溫度更接近燃料的著火點，從而使燃料燃燒更充分。圖10為不同來流溫度下燃燒室內溫度場分布情況。由圖10可見，隨著來流溫度的提高，燃燒室內整體溫度均上升，其原因是來流溫度越高，帶入燃燒室的初始熱量值越大，燃燒效率增大(圖9)，故燃料釋放熱量增大。

圖11為不同來流溫度下燃燒室出口處徑向CO2含量分布曲線。由圖可見，隨著來流溫度的提高，CO2含量增大，其原因是，來流溫度的提高導致燃燒效率的增大，燃料燃燒更充分，排放的CO2產物也因此上升。圖12為不同來流溫度下燃燒室中心軸線上H2O含量分布。由圖可見，隨著來流溫度的提高，H2O含量增大。其原因類似于CO2。

2.3 壁面溫度對燃燒性能的影響分析

圖10 不同來流溫度下溫度分布圖

圖11 不同來流溫度下出口處徑向CO2含量分布

圖12 不同來流溫度下中心軸線上的H2O含量分布

保持當量比0.6，來流速度50 m/s，來流溫度300 K，研究壁面溫度Twall的變化對燃燒室速度場、溫度場以及其他性能指標的影響變化趨勢。

圖13為不同壁面溫度下燃燒室縱向中心截面速度流場分布圖。由圖13可見，凹腔內以及后鈍體后側回流區旋渦相對穩定，而且速度分布無顯著差異，表明壁面溫度的變化對燃燒室速度流場無明顯影響。

圖13 不同壁面溫度下速度流場分布圖

圖14為不同壁面溫度下燃燒室縱向中心截面溫度分布圖。由圖可見，隨著壁面溫度的提高，凹腔內溫度也逐漸升高，而且溫度分布更加均勻。凹腔外側其他區域溫度也明顯升高，其原因是壁面溫度的提高引起燃燒室整個溫度場的提高。

圖14 不同壁面溫度下溫度分布圖

圖15為壁面溫度對總壓損失及燃燒效率的影響曲線。由圖可見，隨著壁面溫度的提高，燃燒室總壓損失增大，燃燒效率降低。圖16為不同壁面溫度下燃燒室出口處徑向CO2含量分布曲線。由圖可見，隨著壁面溫度的提高，CO2無明顯變化。圖17為不同壁面溫度下燃燒室中心軸線上H2O含量分布。由圖可見，隨著壁面溫度的提高，H2O含量略微下降。

圖15 壁面溫度對總壓損失及燃燒效率的影響曲線

圖16 不同壁面溫度下出口處徑向CO2含量分布

圖17 不同壁面溫度下中心軸線上的H2O含量分布

2.4 燃氣當量比對燃燒性能的影響分析

保持來流速度50 m/s，來流溫度300 K，壁溫1 000 K，研究燃氣當量比對燃燒室性能的影響規律。圖18為不同當量比下速度流場分布。由圖18可見，當量比小于1.0時，隨著燃氣當量比的增大，燃燒室出口處的速度增大，即出口動能增大。當量比達到1.0之后，出口處的速度保持不變，表明富油狀態下，燃氣當量比對速度場分布無影響。

圖18 不同當量比下速度流場分布圖

圖19 不同當量比下溫度場分布圖

圖19為不同當量比下燃燒室中心截面溫度分布。由圖19可見，當量比小于1.0時，隨著當量比的增大，燃燒室凹腔以及后鈍體后側區域的溫度逐漸升高。其原因是，貧燃時，氧氣充足，燃料均能充分反應，當量比越大，燃料越多，燃燒放熱也越多。當量比達到1.0之后，凹腔內溫度開始降低。其原因是氧氣不足，使反應的燃料受到限制，放熱量減少，故溫度偏低。

圖20為當量比對燃燒室總壓損失及燃燒效率的影響曲線。由圖20可見，總壓損失隨著當量比的增大呈現出先增大后減小的變化規律，當量比為1.0時達到最大值。其原因是，由圖19可知，燃燒室溫度隨著當量比的增大先上升后降低，當量比為1.0時達到溫度分布最高。也就是說燃燒室溫升先增大后減小，溫升越大，帶來的氣流總壓損失也越大，故總壓損失先增后減。

圖20 當量比對總壓損失及燃燒效率的影響曲線

圖20還顯示，燃燒效率隨著當量比的增大而減小，其原因是，貧燃時，氧氣充足，燃料均能充分反應，當量比越小，燃料越少，故可以完全反應，燃燒效率也較高;富燃時，氧氣不足，使反應的燃料受到限制，且當量比越大，燃料越多，故反應程度越低，燃燒效率也因此較低。

圖21為不同當量比時燃燒室出口處徑向CO2含量分布曲線。由圖21可見，當量比小于1.0時，隨著當量比的增大，出口徑向CO2分布升高;當達到1.0之后，CO2含量曲線重合。這是因為生成的CO2與燃料完全反應釋放出來的CO2有關，貧燃時隨著當量比增大，燃料增多。由于處于貧燃時氧氣充足，燃料可完全燃燒，故釋放出來的CO2逐漸增大。當量比達到1.0之后，雖然當量比增大，但是由于氧氣有限，生成的CO2保持在完全燃燒狀態。圖22為不同當量比時中心軸線上H2O含量分布曲線。由圖22可見，規律與出口徑向CO2規律一致。

圖21 不同當量比下出口處徑向CO2含量分布

圖22 不同當量比下中心軸線上的H2O含量分布

3 結論

文中通過數值模擬對不同來流速度、來流溫度、壁面溫度以及燃氣當量比下后鈍體開口AVC的速度場、溫度場及相關性能參數進行了分析，結論如下:

1)后鈍體開口AVC在不同來流速度下都能發揮很好的穩焰作用。隨著來流速度的增大，燃燒室整體速度分布增大，凹腔內高溫分布區域增大且分布更加均勻，總壓損失增大，燃燒效率降低。

2)隨著來流溫度的提高，燃燒室內整體溫度均上升，燃燒室下游區域及出口處速度降低，燃燒室總壓損失先減小后保持不變，燃燒效率增大，出口處徑向CO2含量及中心軸向上的H2O含量增大。

3)隨著壁面溫度的提高，凹腔內溫度逐漸升高，而且溫度分布更加均勻，燃燒室總壓損失增大，燃燒效率降低。

4)總壓損失隨著燃氣當量比的增大先增大后減小，當量比為1.0時達到最大值。燃燒效率隨著當量比的增大而減小。貧燃時，隨著當量比的增大，燃燒室出口處的速度增大，凹腔以及后鈍體后側區域的溫度升高，出口徑向CO2及中軸向上H2O分布升高。富燃時，當量比對速度場分布無影響，CO2及H2O含量保持恒定，但凹腔內溫度降低。

［1］Edmonds R G，Steele R C，Williams J T，et al.Ultra-low NOxadvanced vortex combustor，ASME Paper 2006-GT-90319［R］.2006.

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