擾流片對駐渦燃燒室性能影響的研究

魏佳加，曾卓雄，徐義華

(1.南昌航空大學 飛行器工程學院，南昌　330063;2.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海　200090)

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擾流片對駐渦燃燒室性能影響的研究

魏佳加1，曾卓雄2，徐義華1

(1.南昌航空大學 飛行器工程學院，南昌330063;2.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海200090)

為了研究含擾流片的駐渦燃燒室燃燒及內部流動性能，對不同擾流片的個數和進口速度的燃燒室的燃燒情況進行數值模擬，分析燃燒室燃燒時的流場分布、溫度分布、總壓損失以及燃燒效率。結果表明：擾流片能夠增強燃氣的摻混和熱交換，可以極大的提高燃燒室的燃燒效率(最高可達99.99%)，改善出口溫度分布；隨著擾流片個數和入口速度的增加，總壓損失和燃燒效率都逐漸增大；當擾流片為四個時，燃燒室流場穩定，燃燒效率高且溫度分布均勻。

駐渦燃燒室；擾流片；雙旋渦；數值模擬

本文引用格式：魏佳加，曾卓雄，徐義華.擾流片對駐渦燃燒室性能影響的研究[J].兵器裝備工程學報，2016(8):164-168.

燃燒室是燃氣渦輪發動機的核心部件,為了滿足高性能低污染要求，美國空軍研究所(AFRL)和通用發動機(GEAE)公司于20世紀90年代提出了駐渦燃燒室(Trapped Vortex Combustor，TVC)的概念，目前已經發展到第4代。

多年來，國內外開展了很多研究，獲得了很多有價值的研究成果：如有關駐渦區結構參數的優化設計[1-3]、駐渦區油氣進入方案[4-5]、預混燃燒特性等等[6]。這些研究揭示了駐渦燃燒室的結構和性能特點，為駐渦燃燒室的設計和應用奠定了技術基礎，也證明了駐渦燃燒室具有結構簡單、貧富油極限寬、高空再點火性能優越，可在更寬廣的油氣范圍內保持高燃燒效率等優點。駐渦區的特性對燃燒室性能有重要影響，特別是駐渦區渦系特點，駐渦區內主要存在2個渦，分別為主渦和副渦，為了實現駐渦區中形成理想的雙渦結構，需要駐渦區前后壁的進氣速度比的恰當匹配，或者依靠凹腔后壁面得到噴射來形成[7-8]，而不同的燃燒室結構對應的速度比不同，應用起來非常不方便。Agarwal等[9]提出了將導流片與TVC結合的概念，通過將部分主流氣體引入凹腔，可方便地形成穩定的雙渦結構。但是研究發現，僅存在導流片結構的駐渦燃燒室的燃燒效率較低。

為了提高燃燒室的燃燒效率等性能，在前人研究的基礎上，在燃燒室內部加入擾流片，通過改變導流片個數和燃燒室進口速度，對其內部燃燒湍流流場進行數值模擬，研究燃燒室的性能。

1　幾何模型及計算條件

1.1幾何模型

燃燒室的三維幾何模型如圖1所示。燃燒室總長為300 mm，進口截面寬為120 mm，高H=50 mm，凹腔長度L=70 mm，凹腔高度B=70 mm，擾流片傾斜角度為45°。圖2為Z=30 mm的二維截面圖。圖2中b為導流片深入凹腔的長度，h為導流片與進口壁面的距離，l為導流片與凹腔前壁面的距離。

圖1　燃燒室幾何模型

圖2　Z=30 mm維截面

1.2計算條件

數值模擬計算采用的是不可壓縮的N-S方程，模型采用Realizablek-ε湍流模型，近壁面使用標準的壁面函數法模擬，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項使用二階迎風差分格式，擴散項采用二階中心差分格式。燃燒室的進口邊界條件設為速度入口。出口邊界條件設置為壓力出口，出口壓力為101 325 Pa。空氣與甲烷預混燃燒，燃燒模型為通用有限速率模型，湍流-化學反應相互作用模型為渦耗散模型(反應速率由渦耗散模型確定)。

擾流片的個數記為M，每個擾流片的寬都為10 mm，整個燃燒室的當量比為0.6，初始溫度為300 K。導流片個數M取3個，4個,5個，7個和8個。進口速度選取分別25 m/s，50 m/s和75 m/s。

1.3算例驗證

為驗證本文計算的合理性，對含擾流片的駐渦燃燒室進行了數值模擬，并將模擬結果與文獻[9]的實驗結果進行了對比。由圖3可知，計算結果與實驗值相對誤差為8%左右，差異很小，從而表明本文所用的數值模擬計算方法是可信的。

圖3　燃燒室出口平均溫度

2　計算結果與分析

為了驗證加入擾流片后對燃燒室性能的影響，在初始條件相同的情況下，對無擾流片TVC與含擾流片TVC進行對比研究。圖4為Z=30 mm截面溫度分布云圖，由圖可見，帶擾流片的燃燒室最高溫度低于不帶擾流片的燃燒室，但是，加入擾流片后燃燒室內部溫度分布更加均勻，表明擾流片的引入能夠增加摻混，使燃燒更充分，更均勻。

圖4　溫度云圖對比

加入擾流片后駐渦燃燒室具有明顯的燃燒性能優勢，但是擾流片的加入會帶來一部分總壓損失。燃燒效率與總壓損失的對比見圖5，由圖可以看出，加入擾流片后燃燒室的總壓損失從4.4%增加到7.7%，燃燒效率從69.33%增加到99.8%。充分說明加入擾流片后起到增強摻混的作用。

為了進一步說明擾流片增強燃料摻混的作用，對加入四個擾流片和不加擾流的燃燒室的凹腔部分采用場協同理論進行流動和傳熱性能分析。分析結果如圖5所示，對流換熱性能不僅僅取決于速度、溫差和流體物性，還取決于速度場與溫度場的協同情況，要強化換熱應該盡量減小速度矢量和溫度梯度之間的夾角，即減小協同角，由圖4可以看出，加入擾流片后凹腔的協同角要比不加擾流片時低得多，也就是說加入擾流片后，燃燒室凹腔內的流場與溫度場協同程度較佳，更有利于燃燒換熱。

圖5　有無擾流片對比

圖6　協同場分布

加入擾流片的駐渦燃燒室具有明顯的燃燒性能優勢，但是擾流片的引入會帶來一部分總壓損失，擾流片的個數以及進口速度對燃燒室性能也有一定的影響。

2.1總壓損失

氣流流經燃燒室時會產生流失損失，這不可避免地使氣流的總壓下降，影響燃氣的做功能力，從而影響發動機的性能。引入總壓恢復系數δ*，其計算公式為：

(1)

圖7所示為燃燒情況下燃燒室的總壓損失。由圖可見，擾流片不變時，速度越大，總壓損失越大，最小為2%。速度一定時，擾流片個數越多，總壓損失也越大。這是因為進口速度越大，進氣與燃燒室內主流之間的混合損失增大。另外隨著擾流片個數的增加，氣流通過擾流片時，產生的附加壓力損失也隨之增大。因此應盡量降低入口速度，在入口速度為25m/s時，隨著擾流片個數的增加，總壓損失從2%增加到6.7%。

圖7　不同M下總壓損失變化

2.2燃燒效率

燃燒效率的定義為:

(2)

式中:Yin為進口處燃料的質量分數，Yout為出口處未燃燒燃料的質量分數。

不同工況下燃燒效率的變化規律如圖8所示。由圖可知，隨著速度和擾流片的增加，燃燒效率都呈增大趨勢，最低出現在入口速度為75 m/s，擾流片個數為3個時，為90%，速度不變，當擾流片個數增加到7個時，燃燒效率增大到99.99%。這是由于，一方面隨著擾流片的增加，凹腔內形成穩定的雙渦結構，形成穩定的點火源；另一方面，擾流片能使流過燃燒通道的主流氣體和底部產生的熱燃氣更好更快地摻混,從而提高燃燒室的燃燒性能。這也證明擾流片確實可以提高燃燒室的燃燒效率。

圖8　不同M下燃燒效率的變化

2.3速度流場分析

為了方便研究擾流片對燃燒室內部流場的影響，取進口速度為50 m/s,圖9為不同擾流片個數下Z=30 mm截面速度流場分布。可以看出，對于不同的擾流片個數M，除了M=3時，沒有形成穩定的雙渦結構外，其他情況下，凹腔內均形成兩個穩定的駐渦，主渦位于凹腔底部，渦心基本居于凹腔中心位置，可見擾流片個數對凹腔內的的主渦的形成影響不大。

副渦靠近擾流片，隨著擾流片個數的增加，靠近擾流片處氣流速度增大，造成旋渦強度越大,渦旋轉越快,這將有利于燃料的快速、均勻摻混，從而提高燃燒室的燃燒效率和使燃燒室溫度分布更加均勻。

圖9　不同M下Z=30 mm截面速度流場分布

2.4燃燒室溫度分布

速度為50 m/s時，燃燒室Z=30 mm截面溫度分布如圖10所示，擾流片對溫度分布影響不大。燃燒室內高溫區域主要集中在凹腔內部以及燃燒室中后段，以及靠近擾流片部分，這說明燃燒主要發生在凹腔及靠近擾流片處。在凹腔中心回流區形成一個高溫區，在這個區域主渦形成穩定的點火源，產生穩定的值班火焰。副渦在擾流片下方，與擾流片起到增強摻混的效果，使得燃燒更充分，溫度分布更加均勻。

當擾流片個數增加到8個時，可以明顯看出燃燒室溫度下降，這是由于隨著擾流片個數增加到8個時，由圖9可以看出，在擾流片下方已經不能形成副渦，不能更好摻混。

因此，對本文來說，擾流片個數不能選取太大的值。

2.5湍動能分析

當速度為50 m/s時，燃燒室Z=30 mm截面湍動能分布如圖11所示，湍動能主要來源于時均流，通過雷諾切應力做功給湍流提供能量。由圖11可以看出，擾流片下方湍動能最高，向凹腔和燃燒室后半部分逐漸減弱。

擾流片個數為4，5和6個時，燃燒室凹腔和擾流片下方湍動能分布比較均勻，高強度的湍動能區域主要集中在凹腔和擾流片下方。當擾流片個數大于7個時，湍動能繼續增大，凹腔內的湍動能也很高，而較高的湍動能表示流動不平穩，不利于凹腔內火焰的穩定駐留，因此擾流片個數不宜過多，總之，確定擾流片個數時應該考慮湍動能的影響。

圖10　不同M下Z=30 mm截面溫度云圖

圖11　不同M下Z=30 mm截面湍動能分布

2.6出口溫度分布及NO排放

出口溫度分布對渦輪的工作環境和壽命影響很大,燃燒室出口溫度分布系數(OTDF)是衡量出口溫度分布好壞的重要指標，OTDF的數值常在0.25～0.35且越低越好，其公式如下：

(3)

其中：T4max為出口的最高溫度；T4ave為出口平均溫度；T3ave為進口平均溫度。

因此有必要對含擾流片TVC的出口溫度分布進行分析。擾流片個數M對燃燒室出口截面溫度分布的影響如圖12所示。由圖可知，燃燒室出口系數OTDF的值介于0.25～0.35，且隨著擾流片個數的增加先減小后增大。擾流片個數為3個時，OTDF為0.024 6。當擾流片個數較小時，擾流片不能配合副渦起到增強摻混和熱傳遞的作用，從而導致燃燒不充分，出口溫度分布不均勻，燃燒室出口系數OTDF較大。

圖12　不同擾流片個數下的OTDF

3　結論

本文對含擾流片的駐渦燃燒室進行了數值模擬，分析了不同進口速度和擾流片的個數對燃燒效率，總壓損失，湍動能的影響，得出以下結論：

1) 駐渦燃燒室引進擾流片后，明顯增強了摻混效果，并且有利于凹腔火焰的穩定，大幅度提高燃燒效率，改善出口溫度分布。

2) 隨著擾流片個數的增加，燃燒效率越來越高，總壓損失越來越大,燃燒室出口溫度系數先降低再增加。

3) 進口速度對燃燒效率影響不大，但對于總壓損失影響特別大，因此對于含擾流片的駐渦燃燒室進口速度不宜過大。

4) 綜合分析考慮，存在一個使燃燒室綜合性能擾流片最優個數，本文認為為4個。

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(責任編輯楊繼森)

Effect of Inclined Struts on Trapped Vortex Combustor

WEI Jia-Jia1, ZENG Zhuo-xiong2, XU Yi-hua1

(1.School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China;2.College of Power and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

In order to investigate the combustion and flow characteristics of trapped vortex combustor(TVC) with inclined struts, the effects of different structural parameters on flow fields, temperature distribution, the total pressure loss, combustion efficiency and combustion efficiency were numerically studied. The results show that the inclined struts can enhance the mixing of gas and heat exchange，meanwhile it can greatly increase the combustion efficiency, and the best combustion efficiency is 99.99%, and improve the exit temperature distribution. With the number of inclined struts and velocity of inlet increase, total pressure losses and combustion efficiency are gradually increased；Stable combustor with high combustion efficiency and combustor temperature distribution becomes more uniform when the number of inclined struts is 4.

trapped vortex combustor；inclined struts；double-vortex；numerical simulation

；

國家自然科學基金項目(51066006，51266013)

魏佳加(1988—)，男，碩士研究生，主要從事航空工程研究。

10.11809/scbgxb2016.08.037

format:WEI Jia-Jia, ZENG Zhuo-xiong, XU Yi-hua.Effect of Inclined Struts on Trapped Vortex Combustor[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):164-168.

V231.2

A

2096-2304(2016)08-0164-05

【基礎理論與應用研究】