帶導流片的三維環形駐渦燃燒室的數值分析*

俞 駿,劉景源

(南昌航空大學飛行器工程學院,南昌 330063)

0 引言

駐渦燃燒室(TVC)具有燃燒穩定性好,燃燒效率高,污染物排放與貧油熄火邊界均低,出口溫度分布均勻性好等特性,是燃燒室研究的重點[1-2]。

Zbeeb等[3]研究了不同燃料組合對鈍體TVC溫度及NOx排放的影響,發現不同組份的燃料NOx排放含量不同;Song等[4]研究了旋流參數對TVC性能的影響,發現在高旋流轉速時科氏力是影響凹腔流體流動的主要因素。孫海俊等[5]對中心鈍體TVC的數值計算發現駐渦穩定性好,但燃燒效率不高。

對壁面凹腔TVC需要增進駐渦與主流的摻混,以提高燃燒效率[6]。增強摻混可以在凹腔內噴射空氣產生反向旋轉的渦對,利用與主流接觸的渦增進相互作用,但凹腔內的空氣速度對火焰穩定性具有強烈的影響。在中速范圍內,由于火焰模式的轉變,火焰容易被吹熄[1]。Agarwal等[6]把導流片引入壁面凹腔TVC,利用導流片將部分主流引入凹腔的方法來提高TVC的燃燒效率,實驗表明燃燒效率達到96%以上。徐舟等[7]、王志凱等[8]分別將導流片引入凹腔TVC及鈍體結構TVC并進行研究。

導流片的引入,不但會形成理想的雙渦結構,增進主流與凹腔內流動相互作用,并且引入導流片導致的壓力損失也在可接受的范圍內。但是,無論是對壁面凹腔駐渦還是中間鈍體駐渦燃燒室,引入導流片后研究的幾何外形均為方形截面[1,6-8],而實際的燃燒室絕大多數是環形。另外,并未研究導流片與后鈍體結構參數變化對燃燒室性能的影響。文中則研究導流片結構參數及后鈍體參數對環形中心鈍體TVC中燃燒室性能的影響,為工程應用提供參考。

1 計算模型及數值方法

1.1 幾何模型及結構參數

帶導流片環形旋渦燃燒室由18個圖1所示的模型繞軸線周期陣列而來,燃燒室總長400 mm,內徑700 mm,外徑900 mm,前鈍體軸向長度為40 mm,后鈍體軸向長度為20 mm;上下通道徑向的B=20 mm,H2/H1=0.7,L/H1=0.6,導流片厚度為1 mm。

導流片及后鈍體結構參數的取值參考如表1所示。如圖1所示,c為導流片徑向高度、e為導流片到前鈍體下壁面的距離、b為導流片到前鈍體后壁面的距離、a、S2分別為燃燒室側壁及后鈍體弧長。

表1 結構參數

1.2 計算方法及邊界條件

數值模擬方法詳見文獻[8]。計算時的化學當量比為0.6。燃燒室進口采用速度入口,大小為60 m/s,進口溫度為300 K;燃燒室出口壓力為1個大氣壓。

1.3 算例驗證

選取文獻[1]的外形參數和計算條件,并將不同主流速度下總壓損失系數計算與實驗結果進行了對比。由圖2可見,計算與實驗結果符合良好,表明文中計算可行。

2 計算結果與分析

2.1 c/H1對燃燒室特性的影響

2.1.1 凹腔速度及旋渦結構

不同c/H1時截面7°時凹腔對應的速度及旋渦結構如圖3所示。主流在流過導流片后由于通道截面變大,靠近導流片一側的主流產生橫向流動,流向凹腔;同時由于受到經由導流片進入凹腔的流體的影響,再次改變流向,形成了外側旋渦;流體在流經外側旋渦的同時,由于粘性作用,在靠近后鈍體處形成內側旋渦,進而凹腔內均形成雙渦對。

2.1.2 總壓損失系數

圖4給出了總壓損失系數σ隨不同c/H1的變化曲線。σ隨c/H1的增大而增大是由于c/H1越大,凹腔高速流動區減小,低速流動區增大導致。

2.1.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

圖5為c/H1=0.1～0.4時,燃燒室出口截面溫度分布。由圖可見,由于導流片產生的外側渦對加強了主流與凹腔熱流間的傳熱傳質,使得燃料燃燒更為充分,出口溫度分布變得更均勻。

圖6為不同c/H1對燃燒效率η影響曲線。由圖可見,η隨c/H1的增大而緩慢增加,且都高于97.5%,參考圖3對應的凹腔旋渦結構可知,外側旋渦的變大加強了主流與凹腔間的傳質換熱,同時導流片的分流減小了燃氣的集中,使得燃氣能夠充分燃燒。

綜上,當c/H1=0.2時,凹腔旋渦得到充分發展且燃燒室有較高的η(97.97%)、較低的σ(3.95%)以及較好的出口溫度分布均勻性。因此以下的研究固定c/H1=0.2。

2.2 e/B對燃燒室特性的影響

2.2.1 凹腔速度及旋渦結構

圖7為不同e/B取值時燃燒室凹腔區域的速度及旋渦結構圖。由圖可知,1)當e/B≤0.3時,隨著e/B取值的增大,經導流片進入凹腔流量增加,凹腔中心高速流動區增大,對內側渦對的擠壓作用明顯,旋渦逐漸變小。同時由于導流片處主流通道的變窄,使得進入導流片后壁面的主流流速增加,促使整體旋渦區流速變大,低速區減小。2)當e/B=0.4時,凹腔中線高速流動區沒有明顯變化,但導流片徑向變長,使得遮擋能力變強,內側渦對變大,促使內外雙渦間物質及能量交換加劇,但兩渦之間流速變大,不利于駐渦火焰的傳播。

2.2.2 總壓損失系數

圖8為不同e/B時對應的燃燒室出口σ。隨著e/B的增加,導流片分流作用越明顯,進入凹腔的流量增加,使得導流片對氣流的阻礙作用變大,同時主流流速的變大,增加了氣流的摩擦阻力,使得σ增大。當e/B為0.4時,燃燒室總壓損失系數達到8%,因此e/B的取值不宜大于0.4。

2.2.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

圖9為不同e/B值時的出口溫度分布。由圖7可見,e/B=0.1時,由于導流片分流作用不明顯,凹腔進氣量較少,燃氣主要集中于主流,使得主流燃氣燃燒不充分,燃燒室出口存在溫度較低的區域,出口溫度均勻性較低。之后隨著e/B取值的進一步提高,燃燒室燃氣燃燒變得越充分,低溫區溫度升高,出口溫度均勻性增強。

由上述2.2.1節的速度及旋渦結構的分析可得,e/B值的增加使得燃燒室燃氣的相對集中性下降,同時旋渦區流速的變大會使主流與凹腔高溫燃氣摻混加劇,燃燒效率η變大,當e/B為0.4時,η達到99.9%。

綜上,當e/B=0.2時,凹腔旋渦回流區較大,且流速不高,同時能在總壓損失較低的情況下實現較高的燃燒效率,因此以下研究保持e/B=0.2不變。

2.3 b/L對燃燒室特性的影響

2.3.1 凹腔速度及旋渦結構

圖11分別顯示了不同b/L值下7°凹腔截面的速度及旋渦結構。由圖可知,不同b/L對凹腔的旋渦結構影響較大。b/L=0.1時,凹腔內形成較大的兩組對稱旋渦,有利于駐渦穩定。b/L=0.2～0.4時凹腔高速流動區向上下兩側移動,凹腔軸向由于導流片后移,整體有效寬度減小,致使有效旋渦區變小,內側渦對渦核向外移動。同時,前鈍體后壁面產生回流區,且該回流區隨b/L的增大而增大,不利于凹腔穩焰。

2.3.2 總壓損失系數

圖12顯示了燃燒室出口總壓損失系數σ隨b/L變化。由圖可見,σ先減小后基本不變。參考對應流場分布圖11可知,凹腔靠近主流的有效旋渦區隨b/L的增大而減小,當b/L=0.3、0.4時,受前鈍體后壁面凹腔回流區迅速變大、局部低速區增加的影響,使得σ先迅速減小后基本不變。

2.3.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

從圖13可得,燃燒室出口溫度分布隨b/L的增大,上下兩側出現低溫區,且該低溫區逐漸變大。參考圖11可知,凹腔有效旋渦區的不斷變小導致的主流與凹腔間摻混減弱、主流燃燒不充分,是出口溫度分布均勻性降低的主要原因。

圖14為不同b/L時燃燒效率曲線。由圖可見,燃燒效率η隨b/L的增大先快速減小,后下降趨勢有所減緩。分析對應b/L值下的旋渦結構及速度云圖(圖11)可知,b/L的增大使得凹腔外側旋渦與主流的接觸面積減小,同時主流流速下降,使得主流與凹腔高溫燃氣間的摻混減弱,η下降。相比b/L=0.2,b/L=0.3、0.4時凹腔外側渦對與內側渦對之間流速的提高有利于兩渦間傳質及傳熱,減緩主流與凹腔間的摻混下降趨勢,致使η下降減緩。

綜上,與b/L=0.2～0.4相比,b/L=0.1時η要高,出口溫度分布也更均勻,且有效旋渦回流區大,旋渦低速區變大。雖總壓損失系數較高,但也只有3.95%。

2.4 S2/a對燃燒室特性的影響

2.4.1 凹腔速度云圖及旋渦結構

圖15為不同S2/a值時燃燒室的旋渦結構及速度云圖。由圖可見,1)后鈍體后方回流區隨S2/a取值的增大而增大。這是由于S2/a越大,后鈍體弧長越長,對其后方回流區的遮擋能力也就越強,致使燃燒室左右兩側通道氣流對后鈍體后方回流區的影響減小,回流區變大。2)不同S2/a取值下燃燒室凹腔旋渦結構及速度分布變化不大,表明后鈍體弧長的變化對凹腔內流場影響較小。

2.4.2 總壓損失系數

圖16給出不同S2/a下燃燒室總壓損失系數分布。由圖可知,總壓損失系數隨S2/a的增大而增大。參考圖16可知,S2/a的增大雖對凹腔流場影響較小,但后鈍體后方回流區受S2/a的影響變化較大。

2.4.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

圖17為不同S2/a取值時燃燒室出口溫度分布。由圖可知,隨著S2/a取值的增大,燃燒室出口低溫區逐漸減小,但總體溫度分布變化不大,這是因為S2/a取值增大時,由于后鈍體遮擋,回流區變大,故出口低溫區隨S2/a取值增大而減小。

回流區變大雖然導致燃燒室總壓損失系數增大,但有利于后鈍體后方主燃區的燃燒,故燃燒效率變大,如圖18所示。

綜上,S2/a取值的增大會使燃燒效率增大、出口溫度均勻性提高,但會導致燃燒室重量增加。

4 結論

文中對不同導流片結構參數及后鈍體弧長下的三維環形TVC進行了數值模擬,并分析了燃燒室流動及燃燒的性能。主要結論如下:

1)隨著c/H1取值的增大,燃燒效率、出口溫度分布均勻性逐漸提高,但總壓損失系數變大。

2)相比于c/H1,e/B對三維環形TVC的性能影響較大:e/B=0.4時燃燒效率達到最大(99.9%),e/B=0.1時,總壓損失系數最小(2.56%)。

3)b/L的增大使得凹腔雙渦對、總壓損失系數減小,出口溫度分布均勻性及燃燒效率降低。

4)較大的S2/a有利于提高燃燒效率、改善出口溫度分布。

5)導流片參數在c/H1=0.2、e/B=0.2、b/L=0.1時三維環形AVC綜合性能最好:凹腔旋渦較大、燃燒效率較高(97.97%),總壓損失系數較低(3.95%)以及出口溫度分布較為均勻。