主燃區(qū)出口特征影響出口溫度場(chǎng)性能的數(shù)值研究

丁國(guó)玉，何小民，金 義，吳澤俊，葛佳偉

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

21世紀(jì)初期，為了滿(mǎn)足未來(lái)的軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)熱力性能要求，常規(guī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室發(fā)展到第4代，并向著高推重比方向發(fā)展。高推重比燃燒室要求具有較大的溫升，因而也稱(chēng)為高溫升燃燒室。燃燒室出口溫度越來(lái)越高，其最高出口溫度隨推重比的提高而不斷增大。隨著渦輪進(jìn)口溫度的提高，允許的熱點(diǎn)最大溫度偏差及燃燒室出口溫度分布對(duì)理想溫度分布的偏離值并沒(méi)有變化，這樣對(duì)燃燒室出口溫度分布的要求就更高。渦輪進(jìn)口燃?xì)馄骄鶑较驕囟绕x理想溫度分布，會(huì)明顯影響到渦輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命。對(duì)于高推重比燃燒室來(lái)說(shuō)，如果仍維持與現(xiàn)在溫度水平相當(dāng)?shù)某隹跍囟确植枷禂?shù)，則其局部最高溫度將會(huì)大幅度升高。按照出口溫度分布系數(shù)為0.25計(jì)算，推重比為20的燃燒室最高出口溫度將達(dá)到2670 K，熱點(diǎn)溫度比平均溫度高300 K[1-6]，很難保證渦輪在如此高的出口溫度下正常工作。因此，更加均勻的燃燒室出口溫度分布顯得尤其重要。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，油霧蒸發(fā)、擴(kuò)散摻合的速度和濃度，決定于局部流速，即“速度場(chǎng)”決定“濃度場(chǎng)”；分子碰撞、燃燒放熱的速度和數(shù)量，決定于局部溫度、壓力及燃料濃度，即“濃度場(chǎng)”決定“溫度場(chǎng)”；按此觀點(diǎn)，主燃區(qū)的速度場(chǎng)決定火焰筒出口溫度場(chǎng)[7]。可見(jiàn)，主燃區(qū)出口速度分布和溫度分布直接影響燃燒室出口溫度分布質(zhì)量,尤其影響燃燒室出口溫度場(chǎng)熱點(diǎn)形成。因此，開(kāi)展主燃區(qū)出口特征影響出口溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究，并掌握相應(yīng)的變化規(guī)律是具有實(shí)際意義。

本文采用數(shù)值方法對(duì)燃燒室主燃區(qū)出口至燃燒室出口之間的流通區(qū)域進(jìn)行研究，對(duì)不同主燃區(qū)出口特征下的速度分布和溫度分布進(jìn)行模擬，以掌握相應(yīng)的變化規(guī)律，為掌握溫度場(chǎng)調(diào)控技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 研究模型、方法和內(nèi)容

1.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

本文的研究對(duì)象來(lái)源于某型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)形燃燒室，共有24個(gè)頭部，環(huán)形燃燒室單頭部如圖1所示。將主燃區(qū)出口至燃燒室出口之間的部分作為本文的研究對(duì)象。但本研究涉及的燃燒室結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜，直接對(duì)全環(huán)進(jìn)行研究計(jì)算量極大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。因此僅對(duì)燃燒室的1個(gè)頭部進(jìn)行1∶1研究，不做模型上的簡(jiǎn)化，研究對(duì)象的幾何模型如圖2所示。

利用ICEM-CFD軟件對(duì)所建立的3維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于研究對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不規(guī)則區(qū)域較多，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較為困難，因此選取適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，生成4面體網(wǎng)格總數(shù)為1142055個(gè)，3維網(wǎng)格如圖3所示。

圖1 環(huán)形燃燒室單頭部

圖2 研究對(duì)象的幾何模型

圖3 研究對(duì)象3維網(wǎng)格

1.2 研究方法

采用FLUENT6.3計(jì)算軟件對(duì)劃分好網(wǎng)格的流通區(qū)域開(kāi)展數(shù)值模擬[8-12]，研究對(duì)象的進(jìn)出口分布如圖4所示，數(shù)值模擬過(guò)程中模型進(jìn)口采用速度進(jìn)口，以保證與原燃燒室單頭部模型主燃區(qū)出口位置上質(zhì)量守恒和能量守恒為原則，計(jì)算出相應(yīng)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)（主燃區(qū)出口特征），然后采用C語(yǔ)言編程和運(yùn)用FLUENT中用戶(hù)自定義函數(shù)（UDF），設(shè)定可以進(jìn)行數(shù)值模擬的邊界條件,基本方法為：湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；輻射模型采用DO模型；對(duì)所截取的燃燒室扇形段的兩側(cè)截面設(shè)置為周期性邊界條件；固體壁面考慮材料輻射，設(shè)定內(nèi)部發(fā)射率為0.8。

圖4 研究對(duì)象的進(jìn)出口分布

1.3 研究?jī)?nèi)容

對(duì)不同主燃區(qū)出口特征下的速度分布和溫度分布進(jìn)行模擬，涉及到4種速度分布和3種基準(zhǔn)的溫度分布。速度分布包括余弦型、折線(xiàn)型、拋物線(xiàn)型、均值型；基準(zhǔn)的溫度分布包括拋物線(xiàn)型、折線(xiàn)型、均值型，并考察了以此溫度分布為基準(zhǔn)，最高溫度點(diǎn)突升100、200 K以及最高溫度點(diǎn)上下移動(dòng)的情況。這樣，不同的速度分布和溫度分布組成不同的主燃區(qū)出口特征，對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)口邊界條件，共計(jì)算了42個(gè)算例。速度分布和基準(zhǔn)的溫度分布如圖5、6所示，各種基準(zhǔn)的組合見(jiàn)表1。

圖5 主燃區(qū)出口速度分布沿通道高度的分布

圖6 主燃區(qū)出口溫度分布沿通道高度的分布

表1 基準(zhǔn)的速度分布和溫度分布的組合

2 研究結(jié)果及分析

2.1 主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的影響

為了分析主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的影響，分別考察了某一速度分布與3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的影響，以下是各速度分布與3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的燃燒室出口溫度場(chǎng)。

（1）在由均值型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖7所示。

從圖7中可見(jiàn)，由不同主燃區(qū)出口溫度分布得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)的最高溫度均為1500 K，冷區(qū)和熱區(qū)的所在位置大體一致，不同的是均值型溫度分布對(duì)應(yīng)的燃燒室出口溫度場(chǎng)的最低溫度比另外2種情況下的高，約高300 K，且熱區(qū)面積也較大；由此可見(jiàn)，在均勻主燃區(qū)出口速度分布下，均勻主燃區(qū)出口溫度分布可使燃燒室出口溫度場(chǎng)更均勻。

（2）在由余弦型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖8所示。

圖8 在余弦型速度分布下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)

從圖8中可見(jiàn)，在由余弦型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下，得到的出口溫度場(chǎng)冷、熱區(qū)分布位置大體一致，且出口溫度分布基本沿扇面中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，分析認(rèn)為這主要是內(nèi)外環(huán)面的2排摻混孔對(duì)稱(chēng)布置造成的。

（3）在由折線(xiàn)型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖9所示。

圖9 在折線(xiàn)型速度分布下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)

從圖9中可見(jiàn)，在由折線(xiàn)型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的出口溫度場(chǎng)與余弦型主燃區(qū)出口速度分布對(duì)應(yīng)的出口溫度場(chǎng)滿(mǎn)足相同的規(guī)律。

（4）在由拋物線(xiàn)型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖10所示。

圖10 在拋物線(xiàn)型速度分布下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)

通過(guò)在對(duì)余弦型、折線(xiàn)型和拋物線(xiàn)型速度分布與3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的出口溫度場(chǎng)的分析，發(fā)現(xiàn)出口溫度場(chǎng)冷、熱區(qū)分布位置大體一致。可見(jiàn)摻混孔的布置可以很好地改善出口溫度場(chǎng)分布，使冷、熱區(qū)的分布大體符合渦輪設(shè)計(jì)的要求。

將圖7～10綜合比較發(fā)現(xiàn)，在均值型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下，得到的出口溫度場(chǎng)與其他速度分布對(duì)應(yīng)的出口溫度場(chǎng)差別較大：在中部熱區(qū)向外涵移動(dòng)，而在扇面分界處的熱區(qū)向內(nèi)涵移動(dòng)，且熱區(qū)面積顯著增大。分析認(rèn)為，主燃區(qū)出口余弦型、折線(xiàn)型和拋物線(xiàn)型速度分布都是不均勻速度分布，不同位置燃?xì)獾乃俣炔罴訌?qiáng)了湍流流動(dòng)，能更好地進(jìn)行能量交換，而均勻型主燃區(qū)出口速度分布不能達(dá)到這種效果。

（5）θTo和θTr在某一主燃區(qū)出口溫度分布下隨主燃區(qū)出口速度分布的變化規(guī)律分別如圖11、12所示。其中Y、Z、P、J分別表示余弦型、折線(xiàn)型、拋物線(xiàn)型和均值型速度分布。

從圖11、12中可見(jiàn)，主燃區(qū)出口溫度分布不變時(shí)，在拋物線(xiàn)型主燃區(qū)出口速度分布條件下得到的出口溫度場(chǎng)最好；在各種主燃區(qū)出口速度分布下，主燃區(qū)出口折線(xiàn)型溫度分布對(duì)應(yīng)的To和Tr都小于拋物線(xiàn)型溫度分布對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

圖11 不同主燃區(qū)出口特征下的To

圖12 不同主燃區(qū)出口特征下的Tr

2.2 主燃區(qū)出口溫度分布最高溫度變化對(duì)出口溫度場(chǎng)的影響分析

將主燃區(qū)出口余弦型、折線(xiàn)型和拋物線(xiàn)型速度分布條件下的拋物線(xiàn)型和折線(xiàn)型溫度分布設(shè)定為參考溫度場(chǎng)，然后對(duì)2種主燃區(qū)出口參考溫度分布或升高最高溫度，或上下移動(dòng)最高溫度點(diǎn)，以分析主燃區(qū)出口最高溫度的變化對(duì)燃燒室出口溫度分布的影響。

（1）余弦型速度分布和各種情況的溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的To和Tr曲線(xiàn)分別如圖13、14所示。其中，橫坐標(biāo)為各種情況下的主燃區(qū)出口溫度分布：a表示參考溫度分布，b、c分別表示最高溫度升高100、200 K的溫度分布，d、e分別表示最高溫度點(diǎn)下移或上移0.01 m的溫度分布，f表示最高溫度點(diǎn)上移0.02 m的溫度分布。

在各種主燃區(qū)出口溫度場(chǎng)情況下，折線(xiàn)型溫度分布對(duì)應(yīng)的To和Tr始終小于拋物線(xiàn)型溫度分布對(duì)應(yīng)的數(shù)值；主燃區(qū)出口最高溫度升高及升高的幅度對(duì)To和Tr影響不大；主燃區(qū)最高溫度靠近內(nèi)、外涵時(shí)，To和Tr都會(huì)增大，且靠近外涵時(shí)的To和Tr比靠近內(nèi)涵時(shí)增大得快。

圖13 余弦型速度分布下的To

圖14 余弦型速度分布下的Tr

各種主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的出口溫度分布也大致符合上述規(guī)律，在此不作贅述，分別如圖15～18所示。

（2）折線(xiàn)型速度分布和各種情況的溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的To和Tr曲線(xiàn)分別如圖15、16所示。

圖16 折線(xiàn)型速度分布下的Tr

（3）拋物線(xiàn)型速度分布和各種情況的溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的To和Tr曲線(xiàn)分別如圖17、18 所示。

圖17 拋物線(xiàn)型速度分布下的To

圖18 拋物線(xiàn)型速度分布下的Tr

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同主燃區(qū)出口特征下流通區(qū)域的速度分布和溫度分布進(jìn)行模擬，得到一系列燃燒室出口溫度場(chǎng)，通過(guò)對(duì)這些溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在均勻的主燃區(qū)出口速度分布下，均勻的主燃區(qū)出口溫度分布可使燃燒室出口溫度場(chǎng)更均勻；

（2）主燃區(qū)出口溫度分布不變時(shí)，各種主燃區(qū)出口速度分布模擬得到的To和Tr數(shù)值中，折線(xiàn)型的較大（To超出上限），均值型的與之相近，余弦型的次之，拋物線(xiàn)型的最小，即在拋物線(xiàn)型主燃區(qū)出口速度分布條件下得到的出口溫度場(chǎng)最好；主燃區(qū)出口速度分布不變時(shí)，折線(xiàn)型主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)應(yīng)的To和Tr一般略小于拋物線(xiàn)型主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)應(yīng)的數(shù)值；

（3）主燃區(qū)出口溫度分布輪廓和速度分布不變時(shí)，主燃區(qū)出口最高溫度突升對(duì)To和Tr的影響很小，且溫升幅度對(duì)To和Tr影響甚微；主燃區(qū)出口速度分布不變，而主燃區(qū)出口溫度最高點(diǎn)向內(nèi)、外涵靠近時(shí)，To和Tr都會(huì)迅速增大，且靠近外涵時(shí)比靠近內(nèi)涵時(shí)增大得快，這對(duì)燃燒室出口溫度分布是相當(dāng)不利的。

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