交叉射流對燃燒室流場特性的影響

摘 要：為探討交叉射流燃燒室流場的特點，采用數值模擬方法對燃燒室二次流以不同射流角度而形成的三維交叉射流流場進行了研究。從渦結構及湍動能的角度討論了其流場特征。研究表明：隨著二次流射流角度的增大，燃燒室頭部渦旋區先變大后變小，摻混區渦旋區逐漸變細長；湍動能的最大值逐漸降低，湍流區域逐漸向壁面靠近，不利于油氣摻混，流場趨向不合理。

關鍵詞：交叉射流；對撞射流；湍動能；數值模擬

引言

航空發動機燃燒室內合理的流場結構能實現快速點火、火焰穩定傳播以及高效率燃燒。對燃燒室燃燒特性及結構設計的研究，數值模擬方法被廣大研究人員采用。Zeinivand等[1]用數值模擬方法比較了不同湍流模型和燃燒模型，并且還研究了對撞射流二次空氣射流股數和位置對射流穩燃燃燒室燃燒特性和NOx排放的影響[2]。Watanable等[3，4]數值研究了通過交叉射流減低NOx排放的方法，結果表明二次氣流進口速度越大，空氣和燃氣混合得越好，并且高溫區會變窄，燃氣在高溫區駐留時間減少，NOx排放減低。由以上論述發現交叉射流特殊的流場結構對燃料和空氣的摻混效果較好，文章基于文獻[1]設計的對撞射流燃燒室，結合文獻[3]中的交叉射流，研究燃燒室二次流射流角度對流場結構的影響。

1 計算模型與計算工況

1.1 計算模型

燃燒室幾何結構如圖1所示，部分尺寸參考文獻[2]，燃燒室總長400mm，直徑80mm，距離頭部壁面60mm處周向均布4個二次流噴管，燃油霧化采用射流式空氣霧化噴嘴，模型網格使用ICEM軟件所畫，網格質量均在0.6以上。

數值計算采用不可壓N-S方程，湍流模型采用the Realizable κ-？著模型，采用標準壁面函數法近壁面處理，壁面均設為無滑移邊界條件，燃燒室進口邊界條件采用速度入口，出口邊界條件采用壓力出口。

1.2 計算工況

主要工況參數與文獻[2]一致，主流空氣流量為1.2kg/h，二次流流量為33.5kg/h。燃油從燃燒室頭部中心的空氣霧化噴嘴中噴入。圖2所示為角度示意圖，表1所示4種工況為二次流不同的射流角度（逆時針噴射）。其中軸向角度β固定為20°

2 計算結果與分析

2.1 流場分布規律

對于流場的分析，均取通過噴管中心的縱截面，即x=0處的對稱中心面。二次流不同噴射角度對流場分布規律的影響如圖3所示。

從圖3中可知，從z=0到z=60mm之間的頭部區域，由Case A 的對撞射流變化到Case B的交叉射流，頭部區域流場變化較大，Case A頭部出現兩對對稱小渦旋區，而Case B則變成一對大渦旋區。隨著角度變大，Case C 與Case D頭部渦旋區逐漸變小，并且渦旋中心向壁面靠近。在噴管后的摻混段，Case A中出現一對靠近壁面的渦旋區，低速的渦旋區能使燃油快速燃燒，因此在該區域會產生局部高溫區，這對燃燒室壁面不利。而Case B中的一對渦旋區則靠近中心區域，旋流產生的氣流將渦旋區與壁面隔離，防止壁面被高溫燃氣燒裂。隨著角度逐漸變大，Case C 與Case D摻混區的渦旋區逐漸變細長，并且逐漸向壁面靠近，大部分氣流從中心流過，不利于油氣摻混及火焰穩定燃燒。

2.2 湍動能分析

圖4表示二次氣流不同噴射角度湍動能分布圖，主要來源于時均流，通過雷諾切應力做功給湍流提供能量。比較圖4各工況的湍動能變化情況，湍動能均沿軸線成對稱分布，隨著周向角度不斷增大，在x=0的縱截面上，高強度的湍動能區域從對稱中心向壁面遷移。

3 結束語

通過改變二次流噴射角度，數值分析其對燃燒室流場產生的影響。可以得出以下結論：（1）隨著二次流周向角度由0度增加到10度時，射流方式由對撞射流變為交叉射流，燃燒室頭部渦旋區范圍變大，摻混區渦旋變寬，然而湍動能的最大值降低，湍流區域逐漸向壁面靠近。（2）當二次流周向角度由10度增加到30度時，燃燒室頭部渦旋區范圍逐變小，摻混區渦旋變細長，湍動能的最大值逐漸減低，湍流區域逐漸向壁面靠近，不利于油氣摻混，流場趨向不合理。

參考文獻

[1]Tehrani F B，Zeinivand H. Presumed PDF modeling of reactive two-phase flow in a three dimensional jet-stabilized model combustor[J]. Energy Conversion and Management，2010，51（1）：225-234.

[2]Zeinivand H，Tehrani F B. Influence of stabilizer jets on combustion characteristics and NOx emission in a jet-stabilized combustor[J]. Applied Energy，2012，92：348-360.

[3]Watanabe H，Suwa Y，Matsushita Y，et al. Numerical investigation of spray combustion in jet mixing type combustor for low NOx emission[J]. Energy Conversion and Management，2008，49（6）：1530-1537.

[4]Watanabe H，Suwa Y，Matsushita Y，et al. Spray combustion simulation including soot and NO formation[J]. Energy Conversion and Management，2007，48（7）：2077-2089.