3旋流燃燒室頭部冷態(tài)流場數(shù)值計算與試驗驗證

李 偉，邸 東，劉云鵬，陳登炳，顏應(yīng)文

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

航空發(fā)動機燃燒室通過設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的旋流器，匹配相應(yīng)的燃油噴嘴，在保證穩(wěn)定燃燒前提下，可提高燃燒效率，降低污染物排放。利用燃燒室頭部旋流器結(jié)構(gòu)來提供良好的空氣動力學(xué)環(huán)境，即良好的流場結(jié)構(gòu)。在航空發(fā)動機的冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)中，回流區(qū)的形狀一直是研究重點。由于回流區(qū)的存在，才使得燃燒室能維持穩(wěn)定燃燒。旋流器在燃燒室中起著火焰穩(wěn)定器的作用，空氣經(jīng)過旋流器時之后會在其后方形成回流區(qū)。

此前，針對航空發(fā)動機冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)的研究主要采用數(shù)值計算和試驗測量2種手段。于雷等[1]利用大渦模擬對中心分級燃燒室的冷態(tài)流場進行研究，表明中心回流區(qū)的軸向長度受到主燃級葉片安裝角的影響；于涵等[2]通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)回流區(qū)尺寸和回流量與溫度有關(guān)，熱態(tài)的回流區(qū)尺寸和回流量較冷態(tài)的明顯增大；李美燁等[3]發(fā)現(xiàn)中心分級燃燒室的回流區(qū)受到主燃級和預(yù)燃級的共同影響，主燃級旋流數(shù)減少直接導(dǎo)致回流區(qū)后移；王梅娟等[4]對某回流燃燒室的流場采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進行數(shù)值計算，表明導(dǎo)向葉片對燃燒室流場、主燃孔射流等偏轉(zhuǎn)角等有較大影響；劉殿春等[5]在計算中同樣采用k-ε 湍流模型探究了旋流器對單管同心燃燒室流場的影響；Huang 等[6]也使用k-ε 湍流模型研究了超燃沖壓發(fā)動機的冷態(tài)流場；呂亞亞等[7]在研究燃燒室流場結(jié)構(gòu)的過程中不僅采用數(shù)值方法，還采用了粒子測速儀（Particle Image Velocity，PIV）進行測量；韓啟祥等[8]應(yīng)用該測量技術(shù)對某單頭部的模型的冷天流場進行研究；Dhanuks等[9]應(yīng)用PIV 技術(shù)探究了LPP 燃燒室流場中的漩渦脫落對燃燒室周期性回火的影響；Li 等[10-11]探究了某3級旋流器流場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)流場中漩渦結(jié)構(gòu)與旋流器的幾何形狀以及進口邊界條件息息相關(guān)；顏應(yīng)文等[12-13]在LPP低污染燃燒室流場中，驗證了回流區(qū)的形狀隨著值班級旋流器葉片安裝角的增大而增大；Jiang等[14]在駐渦燃燒室的研究中，發(fā)現(xiàn)該燃燒室的流場結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律不僅與結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與進口馬赫數(shù)有關(guān)；黨新憲等[15]的研究結(jié)果表明，冷卻孔幾何尺寸與布局對流場結(jié)構(gòu)和出口溫度的影響較大；張億力等[16]的試驗結(jié)果表明，單頭部燃燒室的回流區(qū)形狀受到油氣比的影響較大。當(dāng)針對一般燃燒室進行PIV 流場試驗測量時，需對燃燒室結(jié)構(gòu)進行簡化，而上述研究均未給出燃燒室簡化結(jié)構(gòu)（試驗結(jié)構(gòu)）與真實結(jié)構(gòu)之間的流場差異。

本文通過數(shù)值方法探究了3 旋流燃燒室流場結(jié)構(gòu)的影響因素，并利用PIV 試驗測量技術(shù)對數(shù)值研究方法進行驗證，定性分析了單管燃燒室的簡化結(jié)構(gòu)對冷態(tài)流場的影響規(guī)律。

1 計算模型及數(shù)值模擬

本文計算的物理模型如圖1 所示。其中圖1（c）為帶有3 級旋流器單管燃燒室原始結(jié)構(gòu)件，包括了值班級旋流器、主級旋流器、值班級噴嘴、主級噴嘴、主燃孔、慘混孔和全覆蓋氣膜冷卻孔等結(jié)構(gòu)。其中，3級旋流器的葉片均為直葉片。值班級流器為軸向旋流器，切向動量與軸向動量之比Sn=0.307，軸向方向的流通面積為440.7 mm2，共有10 個葉片，安裝角為60°；主級旋流器為雙級徑向旋流器，內(nèi)部旋流器Sn=1.96，軸向流通面積為682.2 mm2，共有16 個葉片，安轉(zhuǎn)角為44°；外部的Sn=2.72，軸向流通面積為658.5 mm2，共有18個葉片，安裝角為55°。簡化的試驗件結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，PIV 系統(tǒng)中的CCD 相機通過光學(xué)觀察窗即可拍攝3 級旋流器出口處的流場結(jié)構(gòu)。光學(xué)觀察窗開窗面積為80 mm×100 mm（Z方向位于33～133 mm），坐標(biāo)原點（X，Y，Z=（0，0，0））取在值班級旋流器進口中心位置（圖1（a）中的紅色坐標(biāo)系）。

圖1 燃燒室結(jié)構(gòu)

由于光學(xué)觀察窗直接延伸到燃燒室火焰筒壁面，擋住了1 個主燃孔，故而利用開孔面積的流量折算方法，在觀察窗機匣正對氣流位置開設(shè)流通縫隙，保證流過這個縫隙的流量與被擋住的主燃孔流量相等；并將火焰筒上加工難度較大的全覆蓋氣膜冷卻小孔簡化為5 排直徑為2 mm 的尾部冷卻孔（本次試驗不燃燒，不考慮冷卻）。通過設(shè)計保證簡化的燃燒室試驗件與原始結(jié)構(gòu)件流量分布比例相同，如圖1（b）僅對3維全覆蓋氣膜冷卻孔進行簡化，方便與原始結(jié)構(gòu)件和試驗結(jié)構(gòu)件進行對比。本文分別對這3個物理幾何模型進行數(shù)值模擬計算，從而分析試驗件結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計方法對于單管燃燒室頭部中心冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)的影響。

數(shù)值計算采用商用FLUENT 軟件，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型（RANS雷諾平均數(shù)值模型）。首先對單管燃燒室計算網(wǎng)格進行了無關(guān)性驗證，圖1（a）燃燒室原始結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果如圖2 所示。表明當(dāng)計算網(wǎng)格達到587 萬時，監(jiān)測直徑方向上的軸向速度基本不變，因此后續(xù)數(shù)值計算均采用587 萬左右的計算網(wǎng)格。針對原始結(jié)構(gòu)件的數(shù)值計算工況見表1。本文計算為常壓工況，空氣進口選用質(zhì)量流量進口，流量依次增加，出口設(shè)置為壓力出口且表壓為0 Pa，代表空氣流出之后直接排向大氣，操作壓力設(shè)置為101325 Pa，表示燃燒室處于常壓狀態(tài)。

表1 流場試驗工況

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性計算結(jié)果

2 試驗系統(tǒng)

本文利用PIV 對單管燃燒室（圖1（a））冷態(tài)流場進行測量，對試驗測量結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果進行對比分析，驗證本文采用的數(shù)值計算方法和數(shù)學(xué)模型的可靠性。試驗測量了單管燃燒室火焰筒中心縱截面流場結(jié)構(gòu)，工況為表1 中的工況1，進口空氣流量為0.142 kg/s，溫度為300 K。

試驗系統(tǒng)如圖3 所示。空氣從壓氣機出來以后，通過管道運輸?shù)皆囼灦危谠囼灦蔚那懊娌捎脺u街流量計測量燃燒室進口空氣流量。在試驗件后半段管道上開設(shè)分叉旁路，將空氣排出。PIV 系統(tǒng)的激光從試驗段管道的尾部射入，激光面垂直觀察窗高度方向。相機沿著觀察窗方向（垂直激光面）拍攝激光平面，通過拍攝流場中示蹤粒子的運動軌跡，再經(jīng)過軟件處理就能獲得拍攝區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)。

圖3 試驗系統(tǒng)

3 結(jié)果分析

本文利用Fluent 軟件數(shù)值研究單管燃燒室火焰筒上開設(shè)觀察窗與簡化冷卻孔對燃燒室流場的影響。為了證明本文計算方法和數(shù)學(xué)模型的可靠性，通過對數(shù)值計算結(jié)果與PIV 測量結(jié)果進行對比分析，在驗證的基礎(chǔ)上，再研究幾何結(jié)構(gòu)簡化對燃燒室流場的影響。

3.1 數(shù)值計算方法和數(shù)學(xué)模型驗證

利用上述方法對單管燃燒室原始結(jié)構(gòu)（圖1（a））進行了數(shù)值計算，并與相應(yīng)的PIV 試驗結(jié)果進行對比分析。燃燒室Y=0 截面上速度的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果如圖4所示。Y=0截面是單管燃燒室中心縱截面，垂直于光學(xué)觀察窗，左圖為試驗PIV 拍攝區(qū)域。從圖中可見，在空氣進口流量均為0.142 kg/s（Con.1）時，流速不超過30 m/s，2幅圖中的流線方向幾乎完全相同、主燃孔射流的穿透深度近似相等。軸向速度為零的點組成的曲線（如圖5 所示）包裹的區(qū)域通常被認為是燃燒室的回流區(qū)大小。從圖中可見，2種結(jié)構(gòu)得到的回流區(qū)深度以及寬度幾乎相同，從定性和定量兩方面證明了試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果吻合較好。也證實了本文數(shù)值計算方法和數(shù)學(xué)模型的可靠性。

圖4 Y=0平面冷態(tài)流場對比

圖5 軸向速度為零的點組成的曲線

3.2 進口流量變化對燃燒室流場的影響

在上述數(shù)學(xué)模型和計算方法驗證的基礎(chǔ)上，研究了不同進口空氣流量對單管燃燒室原始件流場結(jié)構(gòu)的影響。在X=0 截面和Y=0 截面隨空氣流量的增加所引起的速度變化規(guī)律如圖6、7 所示，其中X=0 截面表示光學(xué)觀測窗口截面。數(shù)值計算結(jié)果表明：隨著燃燒室進口空氣流量的增加，整個流場的速度在逐漸增大，但速度流線和回流區(qū)形狀大小基本保持不變，主燃孔的穿透深度也幾乎不變；由圖6 中可見，在X=0截面上，光學(xué)觀察窗的存在導(dǎo)致回流區(qū)由原本對稱的上下漩渦，被拉扯為大小不等、結(jié)構(gòu)不對稱的兩個渦。由于光學(xué)觀察窗對于整個流體域是沒有壁面阻擋的突擴流道，此處流速較小，在旋流器旋流離心作用下，使得下面的旋渦面積變大，而上面的旋渦面積變化不大；在該截面原來布置的主燃孔被光學(xué)觀察窗替代，使得原主燃孔空氣射流的截斷效果消失，導(dǎo)致下回流區(qū)的軸向長度變長；從圖7 中可見，在Y=0 截面上，沒有光學(xué)觀測窗口的存在，上下回流區(qū)和主燃孔射流基本對稱。因此可見，光學(xué)觀測窗口的存在并未影響該截面流場的對稱性，可以用于PIV 流場的試驗測量。

圖6 X=0平面冷態(tài)流場速度

圖7 Y=0平面冷態(tài)流場速度

為了定量比較不同進口空氣流量對燃燒室流場的影響，在Z=85 mm 平面上分別選取了Line 1 和Line 2上的軸向速度分布，如圖8所示。

圖8 Z=85 mm位置的軸向速度大小

由于Z=85 mm 位置位于燃燒室回流區(qū)范圍內(nèi)，因此沿半徑方向會出現(xiàn)速度小于零的點。從圖中可見，軸向速度隨著進口空氣流量的增加而逐漸增大，回流區(qū)的負速度絕對值也相應(yīng)增大，這是由于進口空氣流量的增加，除了導(dǎo)致平均流速增大外，也導(dǎo)致壓力損失也增大，流場中任意位置的壓差較大，回流區(qū)中的回流速度也相應(yīng)增大。速度為零的位置所對應(yīng)的高度即為回流區(qū)的寬度，從圖中可知，進口流量的變化幾乎不會對回流區(qū)寬度產(chǎn)生影響。

3.3 光學(xué)觀察窗對燃燒室流場結(jié)構(gòu)的影響

在相同的進口空氣流量下，分別研究了在相同結(jié)構(gòu)的單管燃燒室上開設(shè)光學(xué)觀察窗（圖1（a））和未開設(shè)光學(xué)觀察窗（圖1（b））對冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)的影響，2 種結(jié)構(gòu)下的Y=0 截面上流場速度如圖9 所示。從圖中可見，2 種情況下流場結(jié)構(gòu)基本相同，并且各位置的速度大小也幾乎相同，說明光學(xué)觀測窗口的開設(shè)對于Y=0 截面的流場結(jié)構(gòu)基本沒有影響，可以采用該設(shè)計方法對燃燒室冷態(tài)流場進行PIV 測量，可反映未開設(shè)光學(xué)窗口時真實的流場結(jié)構(gòu)。

圖9 2維冷態(tài)流場速度

3.4 壁面冷卻孔簡化對燃燒室流場結(jié)構(gòu)的影響

本文研究的是中心分級燃燒室頭部流場結(jié)構(gòu)，因此在燃燒室加工過程中，將加工難度較大的3 維全覆蓋氣膜冷卻孔（圖1（c））簡化成5 排尾部大的冷卻孔（圖1（b）），分別研究了2種火焰筒對中心分級燃燒室中心流場結(jié)構(gòu)的影響。Y=0 中心縱截面速度如圖10所示。圖10（a）是簡化成尾部冷卻孔時燃燒室中心縱截面速度流場，圖10（b）是原始的全覆蓋氣膜冷卻孔時燃燒室中心縱截面速度流場。從圖中可見，將全覆蓋氣膜冷卻孔簡化成尾部5 排大的冷卻孔之后，對燃燒室中心流場結(jié)構(gòu)的影響很小，流場中各位置的速度大小也基本相同；因此數(shù)值計算結(jié)果證明本文采用的氣膜冷卻孔簡化對燃燒室中心流場結(jié)構(gòu)幾乎無影響。在今后的燃燒室流場結(jié)構(gòu)研究中，可對全覆蓋氣膜冷卻孔進行簡化，可大大縮短研究周期和降低成本。

圖10 Y=0平面冷態(tài)流場速度

4 結(jié)論

（1）對于垂直于光學(xué)觀測窗口的中心縱截面的流場結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，說明本文采用的數(shù)值計算方法和數(shù)學(xué)模型可靠，可用于后續(xù)數(shù)值模擬工作；

（2）光學(xué)觀測窗口的開設(shè)對于垂直于觀測窗口的中心縱截面（Y=0）流場結(jié)構(gòu)基本無影響，但對于平行于光學(xué)窗口的中心縱截面（X=0）流場結(jié)構(gòu)有較大影響；

（3）燃燒室進口空氣流量的變化對中心分級燃燒室冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)和回流區(qū)大小基本無影響，但各位置具體的速度大小隨進口流量的增大而增大；

（4）燃燒室火焰筒壁面冷卻小孔的簡化對于燃燒室中心流場結(jié)構(gòu)的影響基本可以忽略，在今后的冷態(tài)流場研究工作中可對冷卻孔的加工進行簡化；

（5）本文數(shù)值模擬結(jié)果分析表明所設(shè)計的中心分級燃燒試驗件可以用于燃燒室中心流場結(jié)構(gòu)的PIV測量。