基于CFX的微型噴氣發動機燃燒室流態研究

黃悅++于軍力++王炫

摘 要：10 cm量級的微型噴氣發動機具有廣泛的應用前景。緊湊的結構使其燃燒室中回流區的形成及冷卻氣的混合距離有限，導致燃燒室出口溫度過高。基于ANSYS/CFX程序平臺，對一種直流環形燃燒室的流態進行了數值模擬。通過對流場結構的分析，討論了射流孔的不同流量分布對回流區和混合區的影響，并研究了燃燒室入口不同流量對射流孔流量分布的影響。結果表明，數值模擬能反映出燃燒室流態的變化，對微型噴氣發動機燃燒室的結構設計具有重要的工程應用價值。

關鍵詞：數值模擬 微型渦噴發動機 環形燃燒室

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0100-03

10 cm量級的微型噴氣發動機具有結構簡單、成本低廉的優點[1]，在一些特殊領域作為動力裝置有著廣泛的應用前景[2]。由于發動機結構的緊湊導致燃燒室空間窄小，如何在有限的空間中保證燃燒穩定并且有效的進行冷氣摻混以降低燃燒室出口溫度，成為這類發動機研究的關鍵問題，要解決此問題必須在燃燒室中建立適合小尺寸燃燒室結構的流態[3]。對于大型發動機燃燒室的一些結構并不適用小型發動機燃燒室，如通常采用的旋流器與射流孔共同形成回流區來保證燃燒穩定，但在小發動機燃燒室中一般不用旋流器，而是以射流形式形成回流區[4]。此外，大型發動機上的壓力噴油嘴在小型發動機上也難以實現，小型發動機多采用蒸發管形式的噴油嘴。基于小型發動機的自身特點，導致其燃燒室的設計出現多種樣式，從國內外的報道中可看出燃燒室的結構比較多樣[5]。各種結構都有各自的優點，如何選取一種性能較佳的燃燒室，只能綜合分析其結構特點對流場的影響，然后確定不同參數的影響以改進設計[6]。

本文利用ANSYS/CFX程序平臺對一種直流環形燃燒室的流態進行了數值模擬研究。通過改變射流孔的面積，對比分析了燃燒室的流態變化，并在不同燃燒室進口流量下，對火焰筒壁面射流孔的流量分配進行了研究，其結果可為工程應用提供指導。

1 燃燒室結構設計

計算采用的燃燒室結構如圖1所示，火焰筒內外壁面為圓柱形，外壁直徑96 mm，內徑22 mm，軸向長度70 mm。

這種尺寸的發動機常采用蒸發管式噴油嘴，燃料管從后部伸入蒸發管入口處。燃料進入蒸發管后開始蒸發并與從蒸發管后面進入的空氣混合。通過蒸發管后，燃料與空氣形成均勻的燃料混合物射入到燃燒室，在蒸發管的射流及火焰筒壁面射流空氣作用下在燃燒室前部形成回流區，進行穩定燃燒。

如表1和表2所示，火焰筒外壁布置5排空，內壁布置4排孔，各排孔沿圓周均勻分布，其每排孔的個數、直徑及距火焰筒前端距離見下表所示。蒸發管內徑6.6 mm，長62 mm，均勻排布6個，其位置為圓心處在直徑為81 mm的圓周上。

火焰筒壁面開孔具有對壁面冷卻、助燃以及形成回流區的作用，燃燒室后部較大的孔與燃氣摻混進行冷卻以降低出口燃氣溫度。因此，越靠后的孔射流的空氣流量大，尺寸就比較大。上壁面最后一排孔為了吹出死角區燃氣，防止溫度過高，需要空氣流量不多，孔徑較小。

2 建立計算模型

ANSYS/CFX程序平臺對工程應用起到了重要的輔助作用，其研究結果可有效的指導工程設計。選取的計算模型從燃燒室入口至出口段，該模型試驗用的壓氣機為離心式葉輪，由于尺寸較小，壓力提高的不多，因此出口使用壓力邊界條件，設為一個大氣壓，入口以速度為條件。由于燃燒室的復雜結構，采用了四面體網格，在射流孔周圍進行了加密處理，如圖2所示。采用K-ω模型，這種模型適合于大曲率流動形式，對回流區的計算效果比較好。燃燒室結構為周期軸對稱結構，為減小網格數量，周向取了60度范圍作為計算域。通過試算幾種不同網格數量，選取了100萬網格數進行計算，此網格數量對結果基本沒有影響。計算精度RMS為10e-5，這個程度可以進行定量的分析。

火焰筒的壁面射流和蒸發管的射流共同形成燃燒室的流態，不同的射流孔分布必然對流場結構有影響。射流孔的數量眾多，如果對每一組合進行研究，勢必計算量巨大。各排孔中孔徑大的射流孔影響比較大，因此，選取了外壁第四排孔進行面積調整，而其他孔不變。

3 計算結果分析

圖3為在進口流量0.038 kg/s時，通過蒸發管中央截面速度分布圖，火焰筒壁面孔的分布為表1所示。可以看出在燃燒室前端蒸發管出口處形成回流區，回流區并沒有形成軸對稱的雙渦結構。這是由于蒸發管的射流對回流區的形成起到引射作用，從圖中可以看出蒸發管中的速度要大于外部流場速度。而蒸發管比較靠近火焰筒外壁，從橫截面看上去形成了馬蹄狀的結構，如圖4中流線的分布所示。從圖3看出，回流區的旋渦直徑從蒸發管下端一直到火焰筒內壁處。對于小型燃燒室，由于空間的限制，不容易形成大型燃燒室對渦結構的回流區，而形成單渦結構更為可取，這樣更利于旋渦的形成。

圖5所示為同樣流量下，火焰筒外壁第四排孔直徑變為8 mm后的流場圖，從圖中看，流態結構保持不變，蒸發管中的流速變慢，由計算得，蒸發管射流原來出口速度21.56 m/s，改孔后為16.0 m/s。這是由于外壁第四排孔的變大，導致通過蒸發管的流量減小。蒸發管中的速度變小會影響回流區的切向速度，對回流的形成不利。第四排孔雖然流量變大，但同時面積增大，由計算可得，原來第四排孔的平均流速為22.3 m/s，改大后，速度為19.5 m/s。流量增加有利于摻混冷卻，但速度降低影響射流深度，會使摻混不充分，冷卻效果下降。表3為改孔前后各射流孔的流量比例對比。可以看出，一排孔的流量變化導致所有孔的流量變化，并且變化比較復雜，說明流量受多種因素影響。

圖6為改孔前模型在不同燃燒室流量下各火焰筒壁面孔的流量變化，從圖中可以看出，隨流量增大，各孔的質量百分比趨于穩定，變化很小。說明這種燃燒室隨發動機轉速增加時，各孔流量分配保持的比較好，這樣在不同工況下，燃燒室都可以保持一個穩定的流態。

4 結論

（1）通過數值模擬研究可詳細的了解這種結構燃燒室的流態及影響因素，采用了蒸發管射流與火焰孔壁面孔射流共同作用形成回流區，能夠形成比較好的流態形式，這為試驗改進提供了重要指導。

（2）火焰筒壁面孔的分布決定了流量的分配，從而直接影響流場結構，如何獲得更好的流態形式，需要深入研究火焰筒的流量分配以及影響流量分配的因素，如射流孔的孔型，間距等。

（3）不同流量時，隨流量增大，火焰筒壁面各孔流量分配基本穩定，這有利于燃燒室保持流態，以及對燃燒室燃油流量的調節控制等問題帶來方便。

參考文獻

[1] 蔡真.微型發動機結構及動力學建模分析[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[2] 黃勇，林宇震.燃燒與燃燒室[M].北京：北京航空航天出版社，2009.

[3] 郭德三，單鵬.微型離心甩油環形折流燃燒室設計與數值研究[C]//中國航空學會第八屆小發動機學術會議論文集. 2009.

[4] 李聰，方蜀州，方平.微型渦噴發動機燃燒室數值模擬[Z].

[5] 袁有志，王立平，關立文.微型環形燃燒室數值模擬及優化設計[J].清華大學學報，2007，47（2）：198-201.

[6] 曾川，王洪銘，單鵬.微渦噴發動機離心甩油盤環形折流燃燒室的設計與實驗研究[J].航空動力學報，2003，18（1）：92-96.endprint

摘 要：10 cm量級的微型噴氣發動機具有廣泛的應用前景。緊湊的結構使其燃燒室中回流區的形成及冷卻氣的混合距離有限，導致燃燒室出口溫度過高。基于ANSYS/CFX程序平臺，對一種直流環形燃燒室的流態進行了數值模擬。通過對流場結構的分析，討論了射流孔的不同流量分布對回流區和混合區的影響，并研究了燃燒室入口不同流量對射流孔流量分布的影響。結果表明，數值模擬能反映出燃燒室流態的變化，對微型噴氣發動機燃燒室的結構設計具有重要的工程應用價值。

關鍵詞：數值模擬 微型渦噴發動機 環形燃燒室

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0100-03

10 cm量級的微型噴氣發動機具有結構簡單、成本低廉的優點[1]，在一些特殊領域作為動力裝置有著廣泛的應用前景[2]。由于發動機結構的緊湊導致燃燒室空間窄小，如何在有限的空間中保證燃燒穩定并且有效的進行冷氣摻混以降低燃燒室出口溫度，成為這類發動機研究的關鍵問題，要解決此問題必須在燃燒室中建立適合小尺寸燃燒室結構的流態[3]。對于大型發動機燃燒室的一些結構并不適用小型發動機燃燒室，如通常采用的旋流器與射流孔共同形成回流區來保證燃燒穩定，但在小發動機燃燒室中一般不用旋流器，而是以射流形式形成回流區[4]。此外，大型發動機上的壓力噴油嘴在小型發動機上也難以實現，小型發動機多采用蒸發管形式的噴油嘴。基于小型發動機的自身特點，導致其燃燒室的設計出現多種樣式，從國內外的報道中可看出燃燒室的結構比較多樣[5]。各種結構都有各自的優點，如何選取一種性能較佳的燃燒室，只能綜合分析其結構特點對流場的影響，然后確定不同參數的影響以改進設計[6]。

本文利用ANSYS/CFX程序平臺對一種直流環形燃燒室的流態進行了數值模擬研究。通過改變射流孔的面積，對比分析了燃燒室的流態變化，并在不同燃燒室進口流量下，對火焰筒壁面射流孔的流量分配進行了研究，其結果可為工程應用提供指導。

1 燃燒室結構設計

計算采用的燃燒室結構如圖1所示，火焰筒內外壁面為圓柱形，外壁直徑96 mm，內徑22 mm，軸向長度70 mm。

這種尺寸的發動機常采用蒸發管式噴油嘴，燃料管從后部伸入蒸發管入口處。燃料進入蒸發管后開始蒸發并與從蒸發管后面進入的空氣混合。通過蒸發管后，燃料與空氣形成均勻的燃料混合物射入到燃燒室，在蒸發管的射流及火焰筒壁面射流空氣作用下在燃燒室前部形成回流區，進行穩定燃燒。

如表1和表2所示，火焰筒外壁布置5排空，內壁布置4排孔，各排孔沿圓周均勻分布，其每排孔的個數、直徑及距火焰筒前端距離見下表所示。蒸發管內徑6.6 mm，長62 mm，均勻排布6個，其位置為圓心處在直徑為81 mm的圓周上。

火焰筒壁面開孔具有對壁面冷卻、助燃以及形成回流區的作用，燃燒室后部較大的孔與燃氣摻混進行冷卻以降低出口燃氣溫度。因此，越靠后的孔射流的空氣流量大，尺寸就比較大。上壁面最后一排孔為了吹出死角區燃氣，防止溫度過高，需要空氣流量不多，孔徑較小。

2 建立計算模型

ANSYS/CFX程序平臺對工程應用起到了重要的輔助作用，其研究結果可有效的指導工程設計。選取的計算模型從燃燒室入口至出口段，該模型試驗用的壓氣機為離心式葉輪，由于尺寸較小，壓力提高的不多，因此出口使用壓力邊界條件，設為一個大氣壓，入口以速度為條件。由于燃燒室的復雜結構，采用了四面體網格，在射流孔周圍進行了加密處理，如圖2所示。采用K-ω模型，這種模型適合于大曲率流動形式，對回流區的計算效果比較好。燃燒室結構為周期軸對稱結構，為減小網格數量，周向取了60度范圍作為計算域。通過試算幾種不同網格數量，選取了100萬網格數進行計算，此網格數量對結果基本沒有影響。計算精度RMS為10e-5，這個程度可以進行定量的分析。

火焰筒的壁面射流和蒸發管的射流共同形成燃燒室的流態，不同的射流孔分布必然對流場結構有影響。射流孔的數量眾多，如果對每一組合進行研究，勢必計算量巨大。各排孔中孔徑大的射流孔影響比較大，因此，選取了外壁第四排孔進行面積調整，而其他孔不變。

3 計算結果分析

圖3為在進口流量0.038 kg/s時，通過蒸發管中央截面速度分布圖，火焰筒壁面孔的分布為表1所示。可以看出在燃燒室前端蒸發管出口處形成回流區，回流區并沒有形成軸對稱的雙渦結構。這是由于蒸發管的射流對回流區的形成起到引射作用，從圖中可以看出蒸發管中的速度要大于外部流場速度。而蒸發管比較靠近火焰筒外壁，從橫截面看上去形成了馬蹄狀的結構，如圖4中流線的分布所示。從圖3看出，回流區的旋渦直徑從蒸發管下端一直到火焰筒內壁處。對于小型燃燒室，由于空間的限制，不容易形成大型燃燒室對渦結構的回流區，而形成單渦結構更為可取，這樣更利于旋渦的形成。

圖5所示為同樣流量下，火焰筒外壁第四排孔直徑變為8 mm后的流場圖，從圖中看，流態結構保持不變，蒸發管中的流速變慢，由計算得，蒸發管射流原來出口速度21.56 m/s，改孔后為16.0 m/s。這是由于外壁第四排孔的變大，導致通過蒸發管的流量減小。蒸發管中的速度變小會影響回流區的切向速度，對回流的形成不利。第四排孔雖然流量變大，但同時面積增大，由計算可得，原來第四排孔的平均流速為22.3 m/s，改大后，速度為19.5 m/s。流量增加有利于摻混冷卻，但速度降低影響射流深度，會使摻混不充分，冷卻效果下降。表3為改孔前后各射流孔的流量比例對比。可以看出，一排孔的流量變化導致所有孔的流量變化，并且變化比較復雜，說明流量受多種因素影響。

圖6為改孔前模型在不同燃燒室流量下各火焰筒壁面孔的流量變化，從圖中可以看出，隨流量增大，各孔的質量百分比趨于穩定，變化很小。說明這種燃燒室隨發動機轉速增加時，各孔流量分配保持的比較好，這樣在不同工況下，燃燒室都可以保持一個穩定的流態。

4 結論

（1）通過數值模擬研究可詳細的了解這種結構燃燒室的流態及影響因素，采用了蒸發管射流與火焰孔壁面孔射流共同作用形成回流區，能夠形成比較好的流態形式，這為試驗改進提供了重要指導。

（2）火焰筒壁面孔的分布決定了流量的分配，從而直接影響流場結構，如何獲得更好的流態形式，需要深入研究火焰筒的流量分配以及影響流量分配的因素，如射流孔的孔型，間距等。

（3）不同流量時，隨流量增大，火焰筒壁面各孔流量分配基本穩定，這有利于燃燒室保持流態，以及對燃燒室燃油流量的調節控制等問題帶來方便。

參考文獻

[1] 蔡真.微型發動機結構及動力學建模分析[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[2] 黃勇，林宇震.燃燒與燃燒室[M].北京：北京航空航天出版社，2009.

[3] 郭德三，單鵬.微型離心甩油環形折流燃燒室設計與數值研究[C]//中國航空學會第八屆小發動機學術會議論文集. 2009.

[4] 李聰，方蜀州，方平.微型渦噴發動機燃燒室數值模擬[Z].

[5] 袁有志，王立平，關立文.微型環形燃燒室數值模擬及優化設計[J].清華大學學報，2007，47（2）：198-201.

[6] 曾川，王洪銘，單鵬.微渦噴發動機離心甩油盤環形折流燃燒室的設計與實驗研究[J].航空動力學報，2003，18（1）：92-96.endprint

摘 要：10 cm量級的微型噴氣發動機具有廣泛的應用前景。緊湊的結構使其燃燒室中回流區的形成及冷卻氣的混合距離有限，導致燃燒室出口溫度過高。基于ANSYS/CFX程序平臺，對一種直流環形燃燒室的流態進行了數值模擬。通過對流場結構的分析，討論了射流孔的不同流量分布對回流區和混合區的影響，并研究了燃燒室入口不同流量對射流孔流量分布的影響。結果表明，數值模擬能反映出燃燒室流態的變化，對微型噴氣發動機燃燒室的結構設計具有重要的工程應用價值。

關鍵詞：數值模擬 微型渦噴發動機 環形燃燒室

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0100-03

10 cm量級的微型噴氣發動機具有結構簡單、成本低廉的優點[1]，在一些特殊領域作為動力裝置有著廣泛的應用前景[2]。由于發動機結構的緊湊導致燃燒室空間窄小，如何在有限的空間中保證燃燒穩定并且有效的進行冷氣摻混以降低燃燒室出口溫度，成為這類發動機研究的關鍵問題，要解決此問題必須在燃燒室中建立適合小尺寸燃燒室結構的流態[3]。對于大型發動機燃燒室的一些結構并不適用小型發動機燃燒室，如通常采用的旋流器與射流孔共同形成回流區來保證燃燒穩定，但在小發動機燃燒室中一般不用旋流器，而是以射流形式形成回流區[4]。此外，大型發動機上的壓力噴油嘴在小型發動機上也難以實現，小型發動機多采用蒸發管形式的噴油嘴。基于小型發動機的自身特點，導致其燃燒室的設計出現多種樣式，從國內外的報道中可看出燃燒室的結構比較多樣[5]。各種結構都有各自的優點，如何選取一種性能較佳的燃燒室，只能綜合分析其結構特點對流場的影響，然后確定不同參數的影響以改進設計[6]。

本文利用ANSYS/CFX程序平臺對一種直流環形燃燒室的流態進行了數值模擬研究。通過改變射流孔的面積，對比分析了燃燒室的流態變化，并在不同燃燒室進口流量下，對火焰筒壁面射流孔的流量分配進行了研究，其結果可為工程應用提供指導。

1 燃燒室結構設計

計算采用的燃燒室結構如圖1所示，火焰筒內外壁面為圓柱形，外壁直徑96 mm，內徑22 mm，軸向長度70 mm。

這種尺寸的發動機常采用蒸發管式噴油嘴，燃料管從后部伸入蒸發管入口處。燃料進入蒸發管后開始蒸發并與從蒸發管后面進入的空氣混合。通過蒸發管后，燃料與空氣形成均勻的燃料混合物射入到燃燒室，在蒸發管的射流及火焰筒壁面射流空氣作用下在燃燒室前部形成回流區，進行穩定燃燒。

如表1和表2所示，火焰筒外壁布置5排空，內壁布置4排孔，各排孔沿圓周均勻分布，其每排孔的個數、直徑及距火焰筒前端距離見下表所示。蒸發管內徑6.6 mm，長62 mm，均勻排布6個，其位置為圓心處在直徑為81 mm的圓周上。

火焰筒壁面開孔具有對壁面冷卻、助燃以及形成回流區的作用，燃燒室后部較大的孔與燃氣摻混進行冷卻以降低出口燃氣溫度。因此，越靠后的孔射流的空氣流量大，尺寸就比較大。上壁面最后一排孔為了吹出死角區燃氣，防止溫度過高，需要空氣流量不多，孔徑較小。

2 建立計算模型

ANSYS/CFX程序平臺對工程應用起到了重要的輔助作用，其研究結果可有效的指導工程設計。選取的計算模型從燃燒室入口至出口段，該模型試驗用的壓氣機為離心式葉輪，由于尺寸較小，壓力提高的不多，因此出口使用壓力邊界條件，設為一個大氣壓，入口以速度為條件。由于燃燒室的復雜結構，采用了四面體網格，在射流孔周圍進行了加密處理，如圖2所示。采用K-ω模型，這種模型適合于大曲率流動形式，對回流區的計算效果比較好。燃燒室結構為周期軸對稱結構，為減小網格數量，周向取了60度范圍作為計算域。通過試算幾種不同網格數量，選取了100萬網格數進行計算，此網格數量對結果基本沒有影響。計算精度RMS為10e-5，這個程度可以進行定量的分析。

火焰筒的壁面射流和蒸發管的射流共同形成燃燒室的流態，不同的射流孔分布必然對流場結構有影響。射流孔的數量眾多，如果對每一組合進行研究，勢必計算量巨大。各排孔中孔徑大的射流孔影響比較大，因此，選取了外壁第四排孔進行面積調整，而其他孔不變。

3 計算結果分析

圖3為在進口流量0.038 kg/s時，通過蒸發管中央截面速度分布圖，火焰筒壁面孔的分布為表1所示。可以看出在燃燒室前端蒸發管出口處形成回流區，回流區并沒有形成軸對稱的雙渦結構。這是由于蒸發管的射流對回流區的形成起到引射作用，從圖中可以看出蒸發管中的速度要大于外部流場速度。而蒸發管比較靠近火焰筒外壁，從橫截面看上去形成了馬蹄狀的結構，如圖4中流線的分布所示。從圖3看出，回流區的旋渦直徑從蒸發管下端一直到火焰筒內壁處。對于小型燃燒室，由于空間的限制，不容易形成大型燃燒室對渦結構的回流區，而形成單渦結構更為可取，這樣更利于旋渦的形成。

圖5所示為同樣流量下，火焰筒外壁第四排孔直徑變為8 mm后的流場圖，從圖中看，流態結構保持不變，蒸發管中的流速變慢，由計算得，蒸發管射流原來出口速度21.56 m/s，改孔后為16.0 m/s。這是由于外壁第四排孔的變大，導致通過蒸發管的流量減小。蒸發管中的速度變小會影響回流區的切向速度，對回流的形成不利。第四排孔雖然流量變大，但同時面積增大，由計算可得，原來第四排孔的平均流速為22.3 m/s，改大后，速度為19.5 m/s。流量增加有利于摻混冷卻，但速度降低影響射流深度，會使摻混不充分，冷卻效果下降。表3為改孔前后各射流孔的流量比例對比。可以看出，一排孔的流量變化導致所有孔的流量變化，并且變化比較復雜，說明流量受多種因素影響。

圖6為改孔前模型在不同燃燒室流量下各火焰筒壁面孔的流量變化，從圖中可以看出，隨流量增大，各孔的質量百分比趨于穩定，變化很小。說明這種燃燒室隨發動機轉速增加時，各孔流量分配保持的比較好，這樣在不同工況下，燃燒室都可以保持一個穩定的流態。

4 結論

（1）通過數值模擬研究可詳細的了解這種結構燃燒室的流態及影響因素，采用了蒸發管射流與火焰孔壁面孔射流共同作用形成回流區，能夠形成比較好的流態形式，這為試驗改進提供了重要指導。

（2）火焰筒壁面孔的分布決定了流量的分配，從而直接影響流場結構，如何獲得更好的流態形式，需要深入研究火焰筒的流量分配以及影響流量分配的因素，如射流孔的孔型，間距等。

（3）不同流量時，隨流量增大，火焰筒壁面各孔流量分配基本穩定，這有利于燃燒室保持流態，以及對燃燒室燃油流量的調節控制等問題帶來方便。

參考文獻

[1] 蔡真.微型發動機結構及動力學建模分析[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[2] 黃勇，林宇震.燃燒與燃燒室[M].北京：北京航空航天出版社，2009.

[3] 郭德三，單鵬.微型離心甩油環形折流燃燒室設計與數值研究[C]//中國航空學會第八屆小發動機學術會議論文集. 2009.

[4] 李聰，方蜀州，方平.微型渦噴發動機燃燒室數值模擬[Z].

[5] 袁有志，王立平，關立文.微型環形燃燒室數值模擬及優化設計[J].清華大學學報，2007，47（2）：198-201.

[6] 曾川，王洪銘，單鵬.微渦噴發動機離心甩油盤環形折流燃燒室的設計與實驗研究[J].航空動力學報，2003，18（1）：92-96.endprint