主燃級(jí)旋流數(shù)對(duì)中心分級(jí)燃燒室流場(chǎng)的影響

李美燁，程 明，林宏軍，常 峰

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

在燃燒室中，流場(chǎng)特性是體現(xiàn)燃燒組織方式的1個(gè)重要方面，同時(shí)對(duì)燃燒性能造成直接影響[1-2]。燃燒室中回流區(qū)過(guò)長(zhǎng)會(huì)使燃燒區(qū)后移，火焰外伸，出口溫度場(chǎng)變差，造成渦輪燒蝕，回流區(qū)徑向尺寸過(guò)大，會(huì)使高溫燃燒區(qū)靠近壁面，破壞火焰筒的氣膜冷卻，嚴(yán)重時(shí)燒壞火焰筒壁面。現(xiàn)代燃燒室中的旋流器是形成流場(chǎng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于得到穩(wěn)定、尺寸合適的回流區(qū)起到重要的控制作用[3-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋流器后的流場(chǎng)特性開(kāi)展大量的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究。Thundi等[6]運(yùn)用Fluent研究不同旋流器葉片角度對(duì)燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，與試驗(yàn)結(jié)果比較，表明標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于弱旋流，而雷諾應(yīng)力模型對(duì)強(qiáng)旋流更為適用；Pandu[7]試驗(yàn)測(cè)量單級(jí)旋流器突擴(kuò)矩形燃燒室內(nèi)流場(chǎng)，表明通過(guò)減小旋流器的氣流壓降，使旋流器下游回流區(qū)尺寸相應(yīng)減小；劉殿春等[8]研究發(fā)現(xiàn)外旋流器是決定SACS燃燒室氣流結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。中心分級(jí)燃燒組織方式作為1種徑向分區(qū)分級(jí)組織概念，在高溫升燃燒室上被廣泛采用[9-10]。其設(shè)計(jì)思路是通過(guò)火焰筒頭部2級(jí)旋流器在徑向形成2個(gè)燃燒區(qū)，預(yù)燃級(jí)氣流在中心形成預(yù)燃級(jí)回流區(qū)，主燃級(jí)氣流在外圍形成主燃燒區(qū)。預(yù)燃級(jí)回流區(qū)徑向尺寸、主燃區(qū)與預(yù)燃區(qū)的相互干涉以及整個(gè)燃燒區(qū)的長(zhǎng)度直接影響分級(jí)分區(qū)燃燒組織[11-13]。

本文以某中心分級(jí)燃燒室的頭部旋流器為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析中心分級(jí)燃燒室的流場(chǎng)特性及主燃級(jí)旋流器旋流數(shù)對(duì)中心回流區(qū)的影響。

1 研究對(duì)象

某中心分級(jí)燃燒室頭部結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)組成。預(yù)燃級(jí)在內(nèi)，包括2級(jí)旋流器與中心離心霧化噴嘴，2級(jí)旋流器形成中心回流區(qū)來(lái)穩(wěn)定火焰，離心霧化噴嘴用于保證小狀態(tài)下良好的霧化性能；主燃級(jí)在外，包括主燃級(jí)旋流器與直射式空氣霧化噴嘴[14-15]，主燃級(jí)旋流器采用旋流與非旋流組合形式來(lái)控制主燃級(jí)旋流數(shù)，形成主燃燒區(qū)，空氣霧化噴嘴用于保證大狀態(tài)下具有良好的燃燒性能。

為了研究主燃級(jí)旋流數(shù)對(duì)中心分級(jí)流場(chǎng)的影響，在基準(zhǔn)方案1（旋流和非旋流空氣流量比例2∶1）的基礎(chǔ)上，保證主燃級(jí)空氣流量基本不變，將主燃級(jí)旋流與非旋流流量比例調(diào)節(jié)到1∶1，形成方案2。

圖1 中心分級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

在實(shí)際物理模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建簡(jiǎn)化的幾何模型，如圖2所示。整個(gè)計(jì)算域由集氣筒、旋流器和火焰筒排氣段3部分組成，計(jì)算過(guò)程不考慮燃燒室的實(shí)際形狀和冷卻孔結(jié)構(gòu)分布。由圓筒形集氣筒將空氣引入中心分級(jí)頭部，氣體在旋流器出口產(chǎn)生一定的氣動(dòng)轉(zhuǎn)角后，進(jìn)入與集氣筒相同直徑的圓筒形火焰筒，最后由倒角為45°的收斂段排出。

圖2 計(jì)算模型

采用ICEM軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為1053萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為182萬(wàn)，網(wǎng)格如圖3所示。

2.2 湍流模型

采用Fluent進(jìn)行流場(chǎng)特性數(shù)值模擬，在計(jì)算模型的控制方程中，湍流模型采用Realizable k-ε[16]模型，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力-速度耦合計(jì)算，求解器采用隱式分離求解器，離散格式采用2階迎風(fēng)精度。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格

2.3 邊界條件

進(jìn)口條件：壓力進(jìn)口，壓力為3400 Pa，溫度為300 K。出口條件：壓力出口，壓力為0 Pa（背壓設(shè)為大氣壓101325 Pa），溫度為300 K。

空氣：進(jìn)出口馬赫數(shù)小于0.3，采用不可壓理想氣體。

3 結(jié)果分析

3.1 基準(zhǔn)方案頭部流場(chǎng)結(jié)果分析

過(guò)旋流器中心線截面基準(zhǔn)方案旋流器下游的軸向速度Vx矢量如圖4所示。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在旋流器進(jìn)口平面中心，x軸設(shè)在旋流器進(jìn)、出口的中心線上，其中橫、縱坐標(biāo)分別為沿氣流的軸向和徑向距離與圓筒型火焰筒直徑的比值。從圖中可見(jiàn)，基準(zhǔn)模型下游整個(gè)流場(chǎng)沿火焰筒中心軸線y=0均勻?qū)ΨQ，中心形成穩(wěn)定的低速回流區(qū)。氣體通過(guò)中心的2級(jí)旋流器形成2股同軸的旋轉(zhuǎn)射流，在流場(chǎng)形成明顯的徑向分區(qū)，即直流區(qū)和回流區(qū)。預(yù)燃級(jí)在中心形成低速回流區(qū)，主燃級(jí)由于采用弱旋，直流流出旋流器出口，受預(yù)燃級(jí)回流區(qū)的影響，在流場(chǎng)下游與預(yù)燃級(jí)有部分氣流摻混，參與中心回流區(qū)的形成。

中心截面基準(zhǔn)模型軸向速度對(duì)比如圖5所示，圖中對(duì)基準(zhǔn)旋流器下游部分流場(chǎng)的PIV試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行定性分析。PIV試驗(yàn)狀態(tài)與數(shù)值模擬保持一致，均在常壓常溫下進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的發(fā)展趨勢(shì)基本一致，射流形態(tài)對(duì)稱，回流區(qū)渦心位于過(guò)旋流器的中心線上，說(shuō)明該數(shù)值模擬采用的方法基本可靠。由于單頭部燃燒室的計(jì)算模型與試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)不同，造成數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的差異，這里不作進(jìn)一步討論。

圖4 中心截面基準(zhǔn)模型速度矢量

圖5 中心截面基準(zhǔn)模型軸向速度對(duì)比

3.2 主燃級(jí)旋流數(shù)的影響

3.2.1 回流區(qū)特征

中心截面2種方案的流線如圖6所示。主燃級(jí)在2種方案中都形成了穩(wěn)定的回流區(qū)，回流中心有2個(gè)對(duì)稱的由氣體內(nèi)外壓差產(chǎn)生的渦，由于主燃級(jí)方案1主燃區(qū)區(qū)域徑向尺寸比方案2的小，受預(yù)燃級(jí)回流區(qū)影響較大，說(shuō)明旋流數(shù)的減少會(huì)影響主燃燒區(qū)的徑向分布，使徑向分區(qū)不明顯。

圖6 中心截面2種方案流線對(duì)比

通過(guò)軸向零速度畫(huà)出的2種方案的回流區(qū)邊界如圖7所示。2種方案在軸向上的預(yù)燃級(jí)回流區(qū)寬度隨x/D的增大均先增大后減小。在徑向上方案1、2的回流區(qū)最大徑向?qū)挾确謩e位于x/D=0.84、0.96處，方案2較方案1最大徑向?qū)挾任恢煤笠疲桨?的回流區(qū)最大徑向?qū)挾嚷源蟆７桨?的預(yù)燃級(jí)回流區(qū)中心渦較大，偏向火焰筒壁面，方案2的預(yù)燃級(jí)回流區(qū)中心渦較小，偏向火焰筒中心。隨著主燃級(jí)旋流數(shù)的減少，主燃級(jí)切向速度減小，軸向速度分量增大，對(duì)回流區(qū)有壓制作用，使得回流區(qū)位置后移，徑向尺寸增加，渦心向火焰筒中心靠攏，較長(zhǎng)的預(yù)燃級(jí)回流區(qū)會(huì)給燃燒室的出口溫度場(chǎng)調(diào)節(jié)帶來(lái)困難。說(shuō)明減少主燃級(jí)旋流數(shù)對(duì)預(yù)燃級(jí)回流區(qū)尺寸和位置均造成一定影響。

3.2.2 各截面速度分布

為了分析主燃級(jí)旋流數(shù)對(duì)旋流器下游流場(chǎng)變化的影響，分別取 4 個(gè)特征截面 x/D=0.24、0.42、0.61、0.79，觀察其軸向速度沿徑向的分布趨勢(shì)，如圖8所示。

圖7 中心截面2種方案回流區(qū)對(duì)比

在x/D=0.24截面，沿徑向分別存在2個(gè)順流區(qū)和3個(gè)逆流區(qū)，其中3個(gè)逆流區(qū)分別為預(yù)燃級(jí)形成的中心回流區(qū)、預(yù)燃級(jí)與主燃級(jí)出口形成的唇口回流區(qū)和火焰筒與主燃級(jí)出口形成的角回流區(qū)，順流區(qū)2個(gè)峰值為主燃級(jí)與預(yù)燃級(jí)出口下游軸向速度。2種方案的速度分布基本相同，主燃級(jí)旋流數(shù)的變化對(duì)旋流器下游的唇口回流區(qū)和角回流區(qū)氣流的軸向速度沒(méi)有明顯影響。

在x/D=0.42截面，軸向速度沿徑向先增大至峰值后減小，2個(gè)速度峰值逐漸合為一處，此時(shí)主燃級(jí)部分氣流與預(yù)燃級(jí)摻混。方案2的峰值位置更靠近中心處，回流區(qū)的半徑基本一致。

在x/D=0.61、0.79截面，方案1、2的流場(chǎng)分布趨勢(shì)基本相同。但由于方案2主燃級(jí)旋流數(shù)減少，回流區(qū)渦心后移，其整體速度分布向中心靠近，軸向速度峰值和回流速度峰值均增大，回流區(qū)徑向半徑減小。在x/D=0.79處，方案1的回流區(qū)已趨向于結(jié)束。對(duì)比截面A、D，方案2的回流速度衰減得更緩慢。

旋流器中心線上軸向速度沿x軸正向的分布趨勢(shì)如圖9所示。在旋流器出口到x/D=0.5的位置，中心線上軸向速度沒(méi)有明顯變化。在x/D＞0.5的位置，2種方案的軸向速度變化趨勢(shì)相同，受主燃級(jí)軸向速度增大的影響，方案2的回流區(qū)軸向速度明顯較方案1的增長(zhǎng)緩慢。

圖9 旋流器中心線軸向速度分布

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了中心分級(jí)流場(chǎng)特性及主燃級(jí)旋流數(shù)對(duì)中心回流區(qū)影響，得到以下結(jié)論。

（1）2種頭部結(jié)構(gòu)均在下游形成徑向分區(qū)，預(yù)燃級(jí)氣流在中心線上形成低速回流區(qū)，受預(yù)燃級(jí)回流區(qū)影響，主燃級(jí)部分旋流氣體與預(yù)燃級(jí)摻混，影響中心回流區(qū)的形成，主燃級(jí)未形成單獨(dú)的回流區(qū)。

（2）主燃級(jí)旋流數(shù)的變化對(duì)頭部流場(chǎng)分布有明顯影響。隨著主燃級(jí)旋流數(shù)的減少，主燃級(jí)氣流切向速度減小，主燃級(jí)徑向尺寸增加，徑向分區(qū)明顯；預(yù)燃級(jí)回流區(qū)位置后移，渦心向火焰筒中心靠攏。