旋流器葉片彎曲角度對旋流特性的影響

張鵬飛，魏 濤，席云龍，范星宇

（山東交通學院 航空學院，濟南 250357）

燃燒室是航空發動機的重要組成部分，其作用是使油氣混合燃燒，而從壓氣機流入燃燒室的氣流速度非常大，為了保證火焰穩定燃燒，改善燃油霧化和混合氣的形成，并為燃燒室頭部提供適量的空氣，在燃燒室中火焰筒的頭部安裝有旋流器。其可以在火焰筒頭部產生高速旋轉射流，形成低壓區，低壓區會使氣體回流形成相對穩定的低速區域。旋流和回流的形成有助于火焰的穩定燃燒以及減少污染物的排放[1-4]。

旋流器在航空燃氣輪機的燃燒室中得到了廣泛的應用，因為其在整個燃燒室工作過程中都能達到令人滿意的燃燒效果，于是其吸引了大量研究人員開展相關的研究工作。Li 等[5]用實驗和數值方法研究了雙旋流燃燒室的流動特性，發現同向旋轉燃燒室的中心回流區尺寸明顯大于反向旋轉燃燒室的中心回流區尺寸。Coghe 等[3]采用不同的實驗方法，分析了旋流燃燒室內的再循環現象。結果表明，雖然環形中央再循環區對反應物混合和火焰穩定很重要，但角部再循環區會導致大量熱燃燒氣體夾帶到流出的反應物混合物中。Yadav等[6]用實驗方法研究了具有錐形出口的小展弦比突擴式燃燒室中冷態氣流的流動特性。發現在燃燒室入口安裝旋流器后，燃燒室內湍流增加，湍流行為發生了顯著變化，因此，燃料和空氣更好的混合和高效穩定的燃燒是有望實現的。

旋流器葉片是旋流器的主要部件，葉片安裝角度對燃燒室的回流強度、溫度分布及污染物排放等具有重要影響。Rao 等[7]用實驗和數值方法研究了旋流對航空發動機內壁面溫度的影響，結果表明，燃燒室入口旋流的程度和方向會改變燃燒室內部的速度和溫度分布，從而對燃燒室熱點及其位置產生顯著影響。Lin 等[8]對一種非預混式旋流燃燒室進行了詳細的數值研究和實驗研究，分析了外旋流器葉片角和等效比對流動和燃燒特性的影響。分析發現，隨著外旋流器葉片角的增大，NO 排放逐漸降低。劉愛虢等[9]研究了地面用燃氣輪機的燃燒特性，對裝有值班級直射式噴嘴和5 種旋流器組合方案的雙環預混旋流燃燒室的特性進行了實驗測試，獲得了5 種旋流器組合方式下燃燒室的流阻性能和燃燒性能。

目前國內也有很多學者針對燃氣渦輪發動機燃燒室的旋流器開展了廣泛的研究工作。劉洋等[10]采用數值模擬方法研究了燃氣輪機旋流器安裝角對燃燒室出口溫度品質的影響。計算結果顯示，適當降低旋流器安裝角可以改善燃燒室出口溫度品質。劉濤[11]利用大渦模擬和雷諾平均的方法研究了燃燒器結構對污染物排放、湍流脈動和不穩定性的影響。研究發現旋流強度增強會擴大回流區面積，增加回流速度，加快進氣剪切層流動速度。鳳云仙等[12]采用數值模擬的方法對一種新設計的雙徑向旋流器燃燒室的冷態流場進行了研究，并對旋流器的重要設計參數進行了計算和驗證。研究表明：雙徑向反向旋流器能在燃燒區形成有效的回流區，同時反向旋轉加強了燃料空氣混合，有利于污染控制。李偉超[13]對自主設計的內外旋流器葉片旋向相同的雙級軸向旋流燃燒室中的冷態流場特性進行了系統研究。對流場進行了大渦模擬，并用粒子圖像測速技術對其中的速度場進行了測量，通過對比分析發現數值結果與實驗結果吻合良好。

本文采用數值模擬的方法，主要探究具有彎葉片的旋流器在不同葉片安裝角度的組合下，燃燒室中回流區的幾何特征及各種組合對阻力系數的影響。

1 數值計算

1.1 模型建立

1.1.1 火焰筒模型

目前，環形燃燒室以其結構簡單、空間利用率高和所需冷氣少等優點在民用航空所使用的渦輪風扇發動機中得到廣泛應用。本文所建立的模型即為環形燃燒室模型，其中D1=450 mm、D2=750 mm、L=460 mm，如圖1 所示。

圖1 計算模型示意圖

由于本文只是分析旋流器葉片對回流區的影響，為了減少計算量，只選取環形燃燒室中一個旋流器進行計算，即建立含有一個旋流器的環形燃燒室的三維模型，旋流器如圖2 所示，燃燒室中火焰筒模型如圖3所示。由于研究的重點是旋流器葉片對回流特性的影響，所以本模型是實際模型的簡化。

圖2 旋流器

圖3 火焰筒模型

1.1.2 旋流器模型

火焰筒頭部的旋流器采用雙級軸向式旋流器，旋流器尺寸如圖4 所示，其中，噴油管直徑d1=16 mm，第一級旋流器直徑d2=46 mm，旋流器總直徑d3=80 mm，旋流器出口直徑d4=90 mm，擴張角α=25°。旋流器的第一級與第二級均設置了12 片葉片且采用后彎型葉片，安裝角為葉片末端角度與中軸線夾角，安裝角度如圖5 所示。

圖4 旋流器尺寸

圖5 旋流器葉片安裝角度

1.2 網格劃分

采用ICEM 軟件進行非結構化網格劃分，分塊劃分后合并網格。火焰筒內部最小網格為3 mm，旋流器部分由于結構較為精細最小網格為1 mm，所有壁面均加棱柱層網格，第一層邊界層為0.5 mm。網格劃分結果如圖6 所示，網格數量為80 萬左右，最差網格質量為0.3。

圖6 計算網格

1.3 計算設置

基本控制方程包括連續方程、動量守恒方程和能量守恒方程。數值計算采用FLUENT 作為求解器，采用壓力基求解器simple 算法，變量采取二階迎風格式進行離散，計算模型采用湍流k-ε 模型。計算中設置了進口空氣流量為3.5 kg/s，出口為outflow，其余為wall 邊界，操作壓力15 個大氣壓，計算工質為空氣，采用不可壓縮理想氣體模型。收斂判定為所有殘差降到10-4以下，并監視進出口流量的變化值小于0.1%。

2 不同旋流數下流場特性分析

2.1 旋流數分析

氣流經過旋流器后會產生旋流，現在學者多以旋流數來表征旋流強度。旋流數大于0.6 的旋流流動為強旋流，其物理特征是會形成中心回流區。旋流數小于0.2 的旋流流動為弱旋流，其物理特征與無旋射流相似。旋流數（S）是無量綱參數，其定義是流體的切向動量與軸向動量之比。

由于旋流器種類較多，所以旋流數的計算公式至今沒有定論，本文選取了一個較為通用的公式[13]

式中：G?為切向動量；GX為軸向動量；D 為旋流器的外直徑。

切向動量

軸向動量

式中：u 為軸向速度；w 為切向速度；p 為靜壓。

由式（2）—（4）可以推得旋流數S 的計算公式為

式中：d 為旋流器內徑；θ 為葉片角度。

根據推導的公式計算出一級與二級葉片角度分別為50°和60°，55°和65°，60°和70°，65°和75°時，4 組旋流器的旋流數，見表1。

表1 彎葉片旋流數

2.2 不同旋流數下回流區的幾何特征

為進一步分析旋流數對回流區的影響，定義軸向速度為零所包圍的區域為回流區，回流區的最大長度為回流區特征長度，最大寬度為回流區特征寬度，圖7中（a）（c）（e）（g）為速度云圖，（b）（d）（f）（h）為X 軸向的速度云圖。

由圖7 可以看出，4 個旋流器均形成了回流區。從圖7 中的（a）（c）（e）（g）的總速度云圖可以看出氣流經過旋流器后的速度分布大致呈對稱型。回流區中心部分回流速度較高這是由于旋流強度較大的外側氣流在此匯聚造成的，這有利于油氣充分混合，在回流區的上部和下部有2 處顏色較深的區域，代表此區域速度較低，火焰可以在這一區域點火燃燒。為更加直觀地觀察回流區的變化，將4 個旋流器中軸截面上X 軸線方向的速度分量提取出來，如圖7 中的（b）（d）（f）（h）所示。

圖7 不同旋流器速度云圖

為了更好地分析回流區的變化，將旋流器1～4 的回流區統一繪制在圖8 中，回流區從左到右分別對應旋流器1～4，由圖8 可以看出隨旋流數的增大回流區的特征長度增加較為明顯，特征寬度變化不大。

圖8 不同旋流器的回流區

根據上述分析的結果，可以讀取不同旋流數下回流區中軸截面的面積，見表2。

表2 不同旋流器的回流區截面面積

由表2 可以看出隨旋流數的增大回流區面積也呈增大趨勢，根據旋流數的定義，旋流數越大即切向動量越大，氣流分配到切向的速度就越多，分配到軸向的速度就越少，從而引起回流區的負壓變大，進而導致回流強度變大，回流區面積變大。

2.3 旋流數與阻力損失的關系

旋流數不僅與回流區有密切關系，同樣對阻力損失也有較大的影響。為明確旋流數與阻力損失的關系，現定義阻力損失系數來表征阻力損失大小，阻力損失系數越大，阻力損失越大，反之越小。

阻力損失系數公式為

根據旋流數的不同分別計算阻力損失系數，見表3。

根據表3 數據得出折線圖9，由圖9 可以很清楚地看到阻力損失系數隨旋流數的增大而增大，這可能是由于旋流數越大，氣流撞擊葉片發生偏轉時損失的能量越大，進而導致了阻力損失的增大。經綜合分析曲線擬合誤差，最終選擇一次多項式作為擬合曲線來表示旋流數與回流區截面面積的關系，擬合結果如下

表3 不同旋流器的阻力損失系數

圖9 直葉片與彎葉片的流場對比

3 結論

采用冷態場進行數值計算，建立了環形燃燒室的火焰筒和雙級旋流器模型，并用數值模擬的方法對其旋流特性進行了分析。探究了隨旋流數的增大回流區的幾何特征和阻力損失的變化，得出如下結論。

1）隨旋流數增大，回流區的特征長度增加較明顯，寬度變化不大。這有利于保護壁面避免燒蝕，同時流速小的回流區會使火焰更充分和穩定的燃燒。

2）隨旋流數的增大，氣流的阻力損失逐漸增大，阻力損失與旋流數的關系大致可用擬合曲線ξ=1.87S-1.44 表示。