雙凹腔AVC冷態流動特性研究

田佳瑩,曾卓雄,徐義華,薛 鋒,郭譯群,袁 琨

(1 北京動力機械研究所,北京 100074;2 南昌航空大學飛行器工程學院,南昌 330063;3 上海電力學院能源與機械工程學院,上海 200090;4 91467部隊,山東膠州 266300;5 海軍航空工程學院青島校區,山東青島 266041;6 91395部隊,北京 102400)

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雙凹腔AVC冷態流動特性研究

田佳瑩1,2,曾卓雄3,徐義華2,薛 鋒4,郭譯群5,袁 琨6

(1 北京動力機械研究所,北京 100074;2 南昌航空大學飛行器工程學院,南昌 330063;3 上海電力學院能源與機械工程學院,上海 200090;4 91467部隊,山東膠州 266300;5 海軍航空工程學院青島校區,山東青島 266041;6 91395部隊,北京 102400)

為探究第三鈍體對雙凹腔先進旋渦燃燒室內部冷態流動特性的影響,通過數值模擬其冷態流場,研究了不同鈍體結構參數對燃燒室總壓損失及旋渦結構的影響;在已有的最佳兩鈍體結構基礎上增加第三鈍體，采用改變來流條件的方法，研究了流速度對旋渦燃燒室流動特性的影響。結果表明，第三鈍體的幾何尺寸及來流速度變化對燃燒室內部的流場影響顯著。

先進旋渦燃燒室;雙凹腔;冷態流動特性;數值模擬

0 引言

先進旋渦燃燒室(advanced vortex combustor,AVC)是美國Ramgen公司用于其研發的旋轉沖壓發動機內的核心燃燒技術,是一種新型概念燃燒室[1]。AVC具有燃燒效率高和污染物排放低等特點[5-7]。文獻[2-4,8]利用Fluent數值模擬對AVC進行了研究,對后鈍體無量綱寬度和前后鈍體無量綱距離分別作了冷、熱態數值模擬,并對其總壓損失和流動特性進行對比分析。

文中采用數值計算方法對AVC進行優化設計研究，通過分析不同工況下AVC內冷態流場，借鑒雙腔駐渦燃燒室的設計思路，在雙鈍體燃燒室的基礎上，在第二級鈍體后再增加一個鈍體，形成三鈍體雙凹腔AVC，第二級凹腔具有駐渦穩焰以及補充燃燒的作用，提高燃燒效率。文中采用三維數值計算方法對雙凹腔AVC燃燒室冷態流場穩焰性能進行初步研究，為后續熱態性能研究提供理論依據。

1 計算模型及方法

1.1 物理模型與結構參數

文中研究的AVC的幾何模型如圖1所示,前后鈍體與燃燒室同軸同中心線布置，其中燃燒室全通道尺寸為400 mm×100 mm×100 mm,第一鈍體尺寸為60 mm×100 mm×60 mm,第二個鈍體尺寸為20 mm×100 mm×42 mm,第一個凹腔長度為36 mm。

1.2 邊界條件

數值模擬采用不可壓N-S方程,湍流模型為realizablek-ε模型,近壁面采用標準壁面函數法,邊界條件采用速度入口、壓力出口。

圖1 后鈍體開口AVC結構模型

研究參數:

1)進口速度V=30 m/s;

2)第三鈍體高為H3,H3/H2=0.8,0.9,1.0,1.1,1.2;

3)第二凹腔長度為S2,S2/S1=0.8,0.9,1.0,1.1,1.2;

4)第三鈍體厚度為L3,L3/L2=0.25,0.5,0.75,1.0,1.25。

2 研究結果與分析

2.1 鈍體布置方式對比

定義冷態條件下燃燒室的總壓損失為:

表1 雙凹腔AVC結構尺寸數據

2.2 第三鈍體間距、高度、厚度對總壓損失的影響

第二鈍體高度H2=42 mm時,H3/H2與總壓系數的關系如圖2所示,隨著H3/H2的增大,圖中曲線呈現出隨著H3/H2增大,凹腔總壓損失隨之增大。

圖2 第三鈍體高度H3/H2與δ*間關系曲線

圖3為第三鈍體高度改變時,燃燒室Z=0 mm中心截面上3組速度流場分布圖。H3/H2=0.8截面上,第一凹腔形成一對旋渦,但旋渦結構一大一小,存在擠壓趨勢;第二凹腔內形成一較大的旋渦,在凹腔下部,還有一未形成趨勢的旋渦。H3/H2=1.0截面上,第一凹腔內仍然存在一對一大一小結構的旋渦且存在擠壓趨勢;第二凹腔內形成了一對不對稱的旋渦結構,居上的渦有流體流入居下的渦,且有擠壓趨勢。

H3/H2=1.2時,第一凹腔形成了一對近似對稱的旋渦,但在居上的渦附近形成了一個小渦,渦系結構雖然簡化,但不利于渦的穩定。

圖3 不同鈍體高度下中心截面的流場分布圖

綜合以上計算工況可知，第三鈍體后均形成了旋渦對。當第三鈍體高度變化時，回流區的長度發生顯著變化。高度越大，第三鈍體后旋渦尺度越大，回流區卷吸能力越強，寬度越大，同時燃燒室的流通能力越差。

圖4 第二凹腔長度S2/S1與δ*間關系曲線

鈍體間距,即凹腔長度S1=36 mm時,S2/S1與總壓損失系數的關系如圖4所示,隨著S2/S1的增大,圖中曲線呈現先降后升,存在一個S2/S1使得總壓損失最小。

圖5為不同的第二凹腔間距的計算結果在中心截面上流場流線對比。

可以看出,S2/S1=0.8截面上,第一凹腔形成一對旋渦,但旋渦一大一小,有擠壓趨勢。第二凹腔無法形成穩定的旋渦對,且旋渦下部有明顯的流體流入和擠壓現象,不利于旋渦穩定;S2/S1=1.0截面上,第一凹腔出現3個旋渦,旋渦結構較之前存在較大變化。第二凹腔旋渦仍然存在擠壓現象;S2/S1=1.2截面上,第一凹腔內仍然形成3個旋渦,中心偏左的旋渦相對尺度較小。第二凹腔內呈現一對旋渦,但是下部旋渦結構相對單薄,較之前面旋渦有所改善。

圖5 不同凹腔間距下中心截面的流場分布圖

綜合考慮第一、二凹腔的分布情況,認為,凹腔長度不同時,第三鈍體后方均能形成回流區,且結構分布大致相同,對比圖中總壓損失的變化曲線,表明第二凹腔長度對回流區的影響不大。

圖6 第三鈍體厚度L3/L2與δ*間關系曲線

鈍體高度L2=20 mm時,給出鈍體厚度L3/L2與總壓系數的關系如圖6所示,隨著L3/L2的增大,圖中曲線呈下降趨勢,凹腔總壓損失隨之減小。

圖7為第三鈍體不同厚度的燃燒室構型計算結果在中心截面流場流線對比。

圖7 不同鈍體厚度下中心截面的流場分布圖

由圖7可知,改變第三鈍體的厚度,第三鈍體后的流場變化并不明顯。兩級凹腔內均形成一對較大尺度旋渦，第一級凹腔內上側旋渦卷吸下側的旋渦氣流；而第二級凹腔內部分氣流則從上側的旋渦卷入下側的旋渦。第三鈍體后流場結構隨著第三鈍體厚度的變化相對明顯。隨著第三鈍體的厚度的增大，第三鈍體后回流區的長度有縮短的趨勢。

2.3 來流速度對AVC的影響

由于鈍體的設置,使得凹腔中的火焰能夠穩定燃燒,但是來流速度發生變化,燃燒室的總壓損失也會受到影響。來流速度太小,可能導致湍流發展不充分;而來流速度太大,會加劇摩擦,增加總壓損失。因此,亟需分析不同來流速度對燃燒室流場的影響。

表2 不同來流速度與總壓損失

依次設定不同來流速度,對凹腔內旋渦流場進行分析,其燃燒室總壓損失隨來流速度變化曲線如圖8所示。

圖8 不同來流速度與δ*間關系曲線

由圖8可見,總壓隨時隨來流速度增大而增大,且增幅大于來流速度的增幅。

圖9為不同來流速度下燃燒室中心截面流場的流線圖。如圖所示,當來流速度改變時,燃燒室中心截面的流場結構變化劇烈。

圖9 不同來流速度下中心截面的流場分布圖

不同來流速度下第一凹腔均有旋渦形成,且在V=40 m/s時,居下的旋渦演化成兩個小尺度渦,將不利于凹腔內旋渦的穩定性;而第二凹腔內都形成了一對不對稱的渦,居上的渦有流體流入居下的渦,但不對稱性隨來流速度變化略有差異。

V=10 m/s和V=30 m/s時,第三鈍體后方形成的回流區長度基本一致,且回流渦對稱性較好;而V=40 m/s時回流渦非對稱性較強。

3 結論

1)引入第三鈍體改變鈍體幾何結構對燃燒室內部流場結構影響比較明顯。

2)AVC總壓損失隨來流速度的增大而增大且變化趨勢明顯。

3)三鈍體AVC引起的總壓損失較小,流場穩定,

產生的第二個凹腔剛好位于雙鈍體AVC的回流區,使回流產生駐渦穩焰,同時將經過第一個凹腔的燃氣進一步燃燒,有利于提高燃燒效率。

[1] Hsu K Y, Goss L P, Trump D D, et al. Performance of a trapped-vortex combustor [C]∥AIAA 33rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 1995.

[2] 鄧洋波, 劉世青, 鐘兢軍. AVC中鈍體布置與燃燒室流動特性研究 [J]. 工程熱物理學報, 2008, 29(8): 1415-1418.

[3] 鄧洋波, 劉世青, 鐘兢軍. 先進旋渦燃燒室流動與燃燒特性分析 [J]. 航空動力學報, 2009, 24(3): 488-493.

[4] 孫海俊, 曾卓雄, 徐義華. 先進旋渦燃燒室鈍體結構參數選擇的數值分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2012, 32(6): 99-102.

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Research of the Flow Chracteristics of Cold State Flow of Double CavitiesAdvanced Vortex Combustor

TIAN Jiaying1,2,ZENG Zhuoxiong3,XU Yihua2,XUE Feng4,GUO Yiqun5,YUAN Kun6

(1 Beijing Power Machinery Institute, Beijing 100074, China; 2 School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 3 College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 4 No.91467 Unit, Shandong Jiaozhou 266300, China; 5 Qingdao Campus, Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Qingdao 266041, China; 6 No.91395 Unit, Beijing 102400, China)

To explore the influence of the third blunt body on flow field of advanced vortex combustor, influence of blunt body structure on total pressure loss and vortex has been studied, the numerical simulation under cold and combustion conditions has been carried out. Then, analysis on the influence of different flow speed on combustor flow field was made. The results show that both geometrical dimension change of the new added blunt body and the flow velocity change may significantly influence internal flow characteristics of combustor.

advanced vortex combustor; double cavities; combustion; numerical simulation

2014-09-28

國家自然科學基金(51066006;51266013);航空科學基金(2013ZB56002;2013ZB56004)資助

田佳瑩(1989-),女,吉林松原人,碩士研究生,研究方向:航空宇航推進理論與工程。

V235.21

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