渦輪沖壓組合發動機加力/沖壓燃燒室流動及燃燒模擬

王玉男，王占學，張軍峰

（1.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015；2.西北工業大學動力與能源學院，西安710072）

渦輪沖壓組合發動機加力/沖壓燃燒室流動及燃燒模擬

王玉男1，王占學2，張軍峰1

（1.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015；2.西北工業大學動力與能源學院，西安710072）

為了解加力/沖壓燃燒室內流場分布特性，利用0維串聯式渦輪沖壓組合發動機(TBCC)性能計算程序得到發動機主要截面參數結果。基于計算流體力學（CFD）模擬方法，進行了小型渦輪沖壓組合發動機在關加力模態、開加力模態、模態轉換和沖壓模態下加力/沖壓燃燒室內部流動及燃燒模擬，分析了單環和雙環火焰穩定器對加力/沖壓燃燒室長度等方面的影響，通過對比可知：在同等長度下含有雙環火焰穩定器的燃燒室出口溫度更高。

加力/沖壓燃燒室；渦輪沖壓組合發動機；流動；燃燒；計算流體力學；數值模擬

0 引言

渦輪沖壓組合發動機（TBCC）作為1種新形式的吸氣式發動機，擁有比傳統渦輪發動機更寬的飛行范圍、比火箭發動機更大的比沖、可以使用常規碳氫燃料、具有較好的經濟性等特點，可作為水平起降重復使用臨近空間飛機、空天入軌飛機以及遠程高空高速導彈的動力裝置，滿足空天一體化飛行的發展趨勢[1-3]。

TBCC已成為各國公認的空天飛行器動力裝置未來發展方向之一，一般分為串聯和并聯2種結構形式。在串聯式TBCC中，加力/沖壓燃燒室（以下簡稱燃燒室）如何在TBCC各工作模態下，高效組織燃燒是該類型TBCC研究的關鍵技術之一[4-7]。在低速飛行時，渦輪發動機通道（內涵）和沖壓發動機通道（外涵）的壓差很大，要通過空氣調節裝置將沖壓發動機通道關閉，發動機完全以燃氣渦輪模態工作，此時，燃燒室具有渦輪發動機加力燃燒室的特性。同樣，在高馬赫數條件下，氣動加熱對渦輪發動機結構有重大影響，為了避免發動機受到破壞，空氣調節裝置將渦輪發動機通道關閉，使渦輪發動機通道與沖壓發動機通道隔離，此時，發動機完全以沖壓模態工作，燃燒室具有亞燃沖壓發動機燃燒室的特性。由于渦輪、沖壓2種模態轉換過程無法在瞬間完成，另外，為避免發動機推力在轉換中劇烈波動，對發動機2個模態之間的轉換采用逐漸過渡的方式（模態轉換）。因此，在模態轉換過程中內、外涵氣流經過摻混后進入燃燒室。采用3維CFD數值模擬的方法，可以對燃燒室工作過程進行全面細致的研究。此外，燃燒室內放置火焰穩定器等阻塞部件，為流場研究帶來一定困難，采用3維CFD數值模擬的方法，可以幫助篩選燃燒室設計方案。

本文基于小型遠程高速飛行器對TBCC的需求，開展了小型TBCC燃燒室研究，采用CFD技術對TBCC不同模態燃燒室內部流動及燃燒過程進行了模擬和分析，并對含單環和雙環火焰穩定器的燃燒室性能進行了比較。

1 含單環火焰穩定器的燃燒室內部流動及燃燒模擬

1.1燃燒室工作過程CFD模擬

燃燒室內部流動復雜，無論試驗還是理論研究都有很大困難。CFD的不斷發展為研究工作開辟了新的道路，把擴壓器和燃燒段作為1個整體，模擬了燃燒室在不同模態下的工作過程。在3維CFD模擬之前，有必要對計算模型進行一定簡化，簡化原則是抓住影響流場特征的主要因素。為簡化計算，將TBCC內涵熱氣流成分簡化為熱空氣。

燃燒室的關加力模態是冷態流場，即單相流場。湍流模型采用κ-ε模型的氣相N-S方程。燃燒室的開加力、模態轉換、沖壓模態均涉及燃燒，屬于2相流場，在計算時需要加入相關組分方程、離散相液滴方程等。燃燒模型采用基于化學反應動力學的渦耗散概念模型。燃燒室3維CFD模擬所涉及的邊界條件有以下幾類：進口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件。燃燒室進口（即擴壓器進口，燃燒室包括擴壓器和燃燒段，氣體經擴壓器減速增壓后進入燃燒段燃燒）選取壓力進口邊界條件，出口選取壓力出口邊界條件，壁面邊界條件采用無滑移邊界條件。由0維程序計算（考慮了來流和燃燒室下游阻塞條件）的燃燒室進口參數見表1，表中選取了TBCC沿飛行軌跡工作不同模態的4個工作點。在不同模態，燃燒室要能夠在內涵熱氣流、內、外涵摻混、外涵冷氣流等來流條件下穩定工作，區別于傳統的加力燃燒室和沖壓燃燒室的標志。燃燒室出口參數（0維程序計算結果）見表2。含有單環火焰穩定器的燃燒室出口（此時燃燒室長度LT=4.1929）參數CFD模擬結果見表3。

表1 燃燒室進口參數（參數均經無量綱處理）

表2 燃燒室出口參數（0維程序計算結果）

表3 燃燒室出口CFD模擬結果

1.2模擬結果對比及分析

由表2和表3對比可見，關加力模態是單純的氣體流動模擬，不涉及燃燒模擬，氣體流動過程中僅產生流動損失，所以CFD模擬結果與0維程序計算的結果（見表2）吻合較好。然而，對于其他3個模態燃燒室出口的總溫和馬赫數來說，CFD模擬結果與0維程序計算結果有一定差異。

在開加力模態燃燒室進口氣流溫度較高，燃油在火焰穩定器前方蒸發度可達80%以上，比較容易組織燃燒[8]，此外，當進行CFD模擬時，設置進入燃燒室的氣流為熱空氣，其含氧量高于渦輪出口燃氣的，導致開加力模態3維CFD模擬得出燃燒室出口總溫高于0維計算結果；在模態轉換過程中，沖壓外涵通道打開，燃燒室進口有冷氣流入，因此，進口氣流溫度低，燃油在火焰穩定器前方的蒸發度較低，此外，冷、熱氣流摻混造成一定總壓損失，致使燃燒組織比較困難；在沖壓模態下，進入燃燒室的氣流全部為經沖壓外涵壓縮的空氣，氣流溫度相對較低，導致燃油蒸發度很低，燃燒效率不高。

0維程序僅能計算燃燒室進口和出口氣動參數，進、出口截面的總壓損失、溫升等系數均由燃燒室特性圖給出[9]，并不涉及火焰穩定器放置、燃油噴射等因素對出口溫度的影響。這些都是造成0維程序計算和3維CFD模擬結果有差異的原因。但從發動機總體設計角度以及燃燒室內部流動、燃燒機理研究等方面來說，這種采用0維程序計算結果作為3維CFD模擬輸入的研究方法是可行的。

燃燒室在不同模態下工作的內部流動馬赫數分布如圖1所示。從圖1（a）中可見，擴壓器進口氣流速度較高，氣流通過擴壓器后減速增壓，火焰穩定器對氣流的擾動形成有利于火焰傳播的低速流動區。擴壓器進口氣流分為綠色和藍色2路，如圖1（c）所示，其中流速較高的綠色氣流為沖壓外涵氣流、流速較低的藍色氣流為渦輪內涵氣流。擴壓器中藍色區域為渦輪內涵流道，如圖1（d）所示，沖壓模態下該區域關閉，氣流沿外涵直接流入擴壓器。

圖1 含單環火焰穩定器的燃燒室不同模態馬赫數分布

燃燒室在不同模態下工作的內部總溫分布如圖2所示。從圖中可見，擴壓器出口處（發動機中心錐后部）氣流流速較低，利于火焰傳播，而且，此處因局部富油，導致溫度較高。火焰穩定器對氣流的擾動形成有利于發動機點火和火焰傳播的氣流低速流動區，此類區域總溫較高。從圖2（b）中可見，來流為渦輪出口的熱氣流，且集中在燃燒室中部區域，有利于燃燒。從圖2（c）中可見，來流為內、外涵不同速度的熱、冷氣流，2股氣流摻混后進行燃燒，對燃燒效率會產生一定影響。從圖2（d）中可見，內涵關閉，來流為外涵冷氣流，沿著壁面區域流入（圖中燃燒室進口深藍色區域），且分散在燃燒室壁面區域，燃燒室中部溫度較低，導致燃燒室出口總溫較低。此外，由于內涵關閉，一部分外涵來流在內涵進口區域減速（圖中燃燒室進口淺綠色區域），此處氣流總溫升高。

圖2 含單環火焰穩定器的燃燒室不同模態總溫分布

燃燒室在不同模態的內部流動總壓分布如圖3所示。從圖3（d）中可見，擴壓器中紅色區域為外涵冷氣流、黃色區域為內涵熱氣流、冷熱氣流在擴壓器中混合造成一定總壓損失。火焰穩定器對氣流的擾動也形成總壓相對較低的區域，如圖3（a）所示。另外，火焰穩定器處的燃油燃燒也會降低總壓。

圖3 含單環火焰穩定器的燃燒室不同模態總壓分布

2 含雙環火焰穩定器的燃燒室內部流動及燃燒模擬

不同環數火焰穩定器對燃燒室長度的影響如圖4所示。在燃燒室半徑和火焰傳播角度一定的情況下，火焰穩定器環數越多，燃燒室長度越短。此外，為提高燃燒效率和燃燒穩定性，火焰穩定器往往采用多環形式[10]。以下研究含雙環火焰穩定器燃燒室的內部流動、燃燒過程。

圖4 不同環數火焰穩定器對燃燒室長度的影響

含雙環火焰穩定器的燃燒室進口參數見表1。基于CFD模擬得到的含有雙環火焰穩定器的燃燒室出口（此時整個燃燒室長度為LT=2.4729）參數見表4。對含有雙環火焰穩定器和含有單環火焰穩定器的燃燒室CFD模擬結果進行對比可以看出，二者的出口參數相差不大，但雙環火焰穩定器結構可以有效縮短燃燒室長度、減輕發動機質量，然而燃燒室出口總溫和馬赫數依然與0維程序計算結果依然有出入，原因同第1.2節。

表4 含雙環火焰穩定器的燃燒室CFD模擬結果

提高燃燒效率的方法之一是增加燃燒室的長度。隨著燃燒室長度的增加，燃燒效率提高，燃燒室溫度升高[8]，將含雙環火焰穩定器的燃燒室出口截面延長至LT=4.1929（含單環火焰穩定器燃燒室長度）處，其出口參數CFD模擬結果見表5。從表中可見，延長燃燒室長度有利于燃燒和提高燃燒室出口的總溫，在同樣長度下含雙環火焰穩定器的燃燒室出口總溫高于含有單環火焰穩定器的燃燒室。延長燃燒室出口截面至4.1929 m處的CFD數值模擬結果與0維程序計算結果更接近。

表5 含雙環火焰穩定器的燃燒室CFD模擬結果（LT=4.1929）

含雙環火焰穩定器的燃燒室內部流場馬赫數、總溫、總壓分布如圖5～7所示。

圖5 含雙環火焰穩定器的燃燒室不同模態馬赫數分布

圖6 含雙環火焰穩定器的燃燒室不同模態總溫分布

圖7 含雙環火焰穩定器的燃燒室不同模態總壓分布

3 結論

以0維串聯式渦輪沖壓組合發動機性能計算程序在關加力模態、開加力模態、模態轉換和沖壓模態計算的主要截面參數為進口條件，對燃燒室內部流動、燃燒過程進行模擬。得出以下結論：（1）3維CFD模擬是對0維程序計算的補充，采用3維CFD數值模擬能夠直觀表現出燃燒室內部摻混、流動、燃燒過程。從渦輪沖壓發動機總體設計的角度考慮，采用3維CFD數值模擬方法能夠給出燃燒室基本尺寸量級。

（2）對燃燒室內部冷態、熱態流動、燃燒過程進行了模擬和分析。通過對含單環和雙環火焰穩定器的燃燒室出口參數對比可以發現，在同等長度下含有雙環火焰穩定器的燃燒室出口溫度更高。

（3）3維CFD數值模擬的湍流模型、燃油噴射初始條件、燃油蒸發過程等假設對模擬結果影響很大，模擬結果還缺乏相應試驗驗證，下一步應同時開展數值模擬與試驗相結合的方法開展深入研究。

[1]Shaw R J,Peddie C L.Overview of the Turbine Based Combined Cycle(TBCC)program[R].NASA-CP-2003-212458.

[2]TangMing.Hypersonicsaperiodic quest[R].AIAA-2005-3258.

[3]Walker D S.TBCC propulsion for a Mach 6 hypersonic airplane[R].AIAA-2009-7238.

[4]Bartolotta P A.High speed turbines:development of a Revolutionary Turbine Accelerator(RTA)for space access[R]. AIAA-2003-6943.

[5]Davoudzadeh F.Numerical simulation of the RTA combustion rig[R].NASA-TM-2005-213899.

[6]McNelis N,Bartolotta P.Revolutionary Turbine Accelerator (RTA)demonstrator[R].AIAA-2005-3250.

[7]Lee J.The Ge-NASA RTA hyperburner design and development[R].NASA-TM-2005-213803.

[8]航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊(第11冊)：加力燃燒室[M].北京：航空工業出版社，2001：5-8.

Aeroengine Design Handbook Commitment.Aeroengine design handbook（Eleventh volumes）：afterburner[M].Beijing:Aviation Industry Press,2001:5-8.(in Chinese)

[9]Sellers JF,Daniele C J.DYNGEN-a program for calculating steady-state and transient performance of turbojetand turbofan engines[R].NASA-TN-D-7901,1975.

[10]黃日鑫，譚永華.亞燃燃燒室穩態工作過程數值研究[J].火箭推進，2009，35（2）：18-21.

Huang Rixin,Tan Yonghua.Numerical investigation on working process[J].Journal of Rocket Propulsion,2009,35（2）：18-21.(in Chinese)

Flow and Combustion Simulation of Augmented/Ram jet Burner for Turbine Based Combined Cycle Engine

WANG Yu-Nan1，WANG Zhan-Xue2，ZHANG Jun-Feng1
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.Collegeofpowerand Energy,Northwestern PolytechnicalUniversity,Xi'an 710072,China）

To investigate the vortex distribution characteristics of augmented/ramjet burner,themain section parameters of Turbine Based Combined Cycle(TBCC)enginewere obtained by 0-dimension numerical computation program.The flow and combustion state of the turbine/ramjet combined engine at close augmented burner mode,open augmented burner mode,mode transition and ramjetmode were simulated based on Computational Fluid Dynamics(CFD)simulation method.The influences of single-ring and double-ring flameholder on the length of augmented/ram jet burner were analyzed.The contrast result show that the exit total temperature of burner with double-ring flameholderwas higher than thatwith single-ring flameholder at the same length.

augmented/ram jetburner;TBCC;flow;combustion；CFD;simulation

2012-05-24

王玉男（1984），男，碩士，工程師，從事航空發動機總體性能設計工作。