緊湊噴射下鈍體回流區內當量比影響因素數值研究

曹宗華，謝建光，李　鋒，林建府

（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

緊湊噴射下鈍體回流區內當量比影響因素數值研究

曹宗華，謝建光，李鋒，林建府

（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

針對先進加力燃燒室火焰穩定器采用的緊湊噴射模式，以包含一個鈍體穩定器的矩形模型件為研究對象，數值研究了加力條件下來流溫度和速度以及噴口直徑、噴射距離、鈍體寬度對鈍體穩定器后回流區局部當量比的影響。結果表明：提高來流溫度、速度，擴大噴口直徑，增加噴射距離或槽寬，都會增大鈍體回流區內的當量比。最后，利用獲得的數據建立了簡單擬合函數，以預估緊湊噴射模式下回流區內的局部當量比。

航空發動機；加力燃燒室；火焰穩定器；緊湊噴射；局部當量比；數值計算

1　引言

新一代高推重比航空發動機加力燃燒室的進口溫度極高，且有繼續增高的趨勢，這將導致加力燃燒室中燃油自燃時間縮短。研究表明，當溫度高于1 300 K時，燃油自燃時間將小于1 ms［1］。如采用現有燃油噴射方式，燃油在達到穩定器前就會發生自燃，導致穩定器燒毀。通過減小燃油噴射點到火焰穩定器的距離，可以有效避免燃油在穩定器前發生自燃。為此，先進加力燃燒室采用了火焰穩定器與噴油桿的一體化設計［2］，該設計下燃油的噴射模式稱為緊湊噴射（CCI）。

國外就緊湊噴射模式開展了深入研究。Lovett等［3］的研究表明，基于傳統加力預混噴射的經典火焰穩定理論［4］不完全適用于緊湊噴射模式。緊湊噴射模式導致火焰區的燃油分布具有不均勻性，其火焰穩定性除預混模式下的影響因素——鈍體尾緣氣流速度、鈍體直徑、壓力和溫度外，還取決于回流區內局部當量比。Klusmeyer［5］采用光譜照相技術，研究了緊湊噴射模式下，噴口直徑、全局當量比對鈍體回流區內局部當量比的影響，給出了回流區內當量比隨全局當量比、噴口直徑和動量比變化的擬合方程。

國內在此領域的研究還處于起步階段，未見相關文獻發表。本文以先進加力燃燒室采用的火焰穩定器與噴油桿一體化設計為背景，以影響鈍體火焰穩定關鍵要素——回流區內當量比為對象，數值研究燃油緊湊噴射下火焰穩定器后方的燃油分布，以及橫向氣流速度、溫度、噴口直徑、噴射位置、鈍體寬度等對回流區內當量比的影響。

2　模型簡介及計算方法

2.1模型簡介

以文獻［5］的實驗裝置為基礎構建了計算模型，見圖1。模型結構尺寸為寬度（W）76.2 mm，高度（H）152.4 mm。流路中，設置了一個前部流線外形，后端截面的鈍體穩定器橫跨在矩形流道內，高度為76.2 mm，寬度為W1。在距離鈍體穩定器尾緣距離為L的上游，穩定器的上下兩側各設置3個燃油噴口，噴口直徑為d。

假定模型的來流為污染空氣，且速度和溫度可變，使鈍體穩定器尾緣的氣流速度和溫度與加力環境下相當。研究的速度范圍180～250 m/s，溫度范圍1 050～1 300 K。

上述模型的邊界設置，涵蓋了新一代加力燃燒室的工作范圍，可滿足加力條件下橫向氣流速度、溫度、噴口直徑、噴射位置、鈍體寬度等對鈍體回流區內當量比影響趨勢的研究。

圖1　鈍體火焰穩定器簡圖Fig.1 Sketch of the bluff body flame holder

2.2計算方法

利用ICEM軟件對模型進行六面體網格劃分，鈍體區域采用較細的網格，見圖2。

運用FLUENT 14.5，采用有限體積法求解三維流場。湍流模型采用Realizablek-ε模型，近壁采用標準壁面函數，空間離散采用二階迎風格式，壓力與速度間采用耦合運算法則。

圖2　鈍體火焰穩定器計算網格Fig.2 Computational grid domain of the bluff body flame holder

本模型中，燃油經過直射噴嘴被霧化成燃油液珠，在氣體中經歷隨動和蒸發等復雜過程。燃油的霧化過程采用FLUENT自帶的plain-orifice-atomizer噴嘴模型，其霧化錐角、液滴直徑分別由式（1）、式（2）計算。

式中：s為分布指數，取3.5；d32為索太爾平均直徑；λ=d/8；We≡ρlu2λ/σ，σ為液滴表面張力，u為噴射速度。

油滴離開噴嘴后的運動軌跡受氣相影響，運動方程見公式（4）：

式中：up為燃油粒子速度，ug為氣流速度，μg為氣體粘性系數，CD為作用力系數，dp為燃油粒子直徑，t為時間。

邊界條件給定為：氣流進口為速度進口，出口為環境壓力出口，固體壁面無滑移邊界。由于氣流速度較高，故流體采用理想氣體模型。

為驗證數值計算方法的有效性，依據文獻［5］，環境設定為：來流溫度1 173 K，鈍體穩定器后端面尾緣速度219 m/s，噴口直徑0.61 mm。數值模擬不同燃油流量下鈍體回流區內的局部當量比，模擬結果與測量值的對比如圖3所示。圖中，Φa為總當量比，Φl為回流區的局部當量比。可見：回流區內的局部當量比的數值模擬結果與試驗結果趨勢一致，與文獻［5］的試驗結果吻合較好。局部當量比隨總當量比的增加先增加，在總當量比0.4時達到最大，然后隨總當量比的增加逐漸降低。

圖3　CFD結果和試驗數據比較Fig.3 Comparison between the CFD computation and experimental data

3　回流區內當量比影響因素分析

依據加力燃燒室工作環境，并考慮緊湊噴射鈍體的關鍵幾何特征，制定了表1的模擬分析范圍。

表1　計算工況Table 1 Computed parameters

（1）噴口直徑

圖4示出了噴射距離、來流溫度和速度一定時，噴口直徑改變對鈍體回流區內當量比的影響。可見：總當量比一定的情況下，回流區內局部當量比隨噴口直徑的增加而增加。這是因為燃油流量一定時，隨著噴口直徑的增大，燃油噴射速度變小，油氣動量比減小，穿透深度降低，導致靠近穩定器壁面附近的燃油濃度高（圖5，圖中陰影部分表示鈍體穩定器尾緣輪廓），進入鈍體回流區內的燃油量增多，提高了回流區內的局部當量比。

圖4　不同噴口直徑下的回流區當量比Fig.4 Comparison ofΦlwith various injectors

圖5　鈍體尾緣近壁面附近燃油分布曲線Fig.5 Kerosene distributions with various injectors near the bluff body wall

（2）噴射距離

圖6示出了噴口直徑為0.61 mm、來流溫度和速度保持不變時，距離鈍體穩定器尾緣距離為L的上游供油對鈍體回流區內當量比的影響。由圖可知：當總當量比較大、L為50.0 mm和65.0 mm時，兩者回流區內的當量比較為接近，且明顯比L為25.4 mm的高。原因在于：在本文的研究范圍內，隨著L的增加，燃油的蒸發度也隨之增加；但當距離大于一定值時，燃油已接近完全蒸發（圖7）。燃油的蒸發量直接影響了進入鈍體回流區內的燃油量，所以回流區內的局部當量先隨噴射距離的增加而增加，當L大于一定值時鈍體回流區內的局部當量比很接近。

圖6　燃油噴射離鈍體穩定器尾緣不同距離下的回流區當量比（d=0.61 mm）Fig.6 Comparison ofΦlwith different distance from the trailing edge（d=0.61 mm）

圖7　燃油蒸發度隨燃油噴射離鈍體穩定器尾緣距離的變化（d=0.61 mm）Fig.7 Fraction evaporated of kerosene with different distance from the trailing edge（d=0.61 mm）

（3）堵塞比

保持鈍體尾緣速度和氣流溫度不變，噴口直徑固定為0.61 mm，噴射距離和燃油供給量一定。通過將鈍體槽寬由31.8 mm逐漸增加到44.0 mm，使得鈍體的堵塞比在0.21～0.29范圍內，研究堵塞比對鈍體回流區局部當量比的影響，結果見圖8。由圖可知：局部當量比隨堵塞比呈現單峰形態。堵塞比由0.21增加到0.25時，回流區內局部當量比由1.71增加到1.84，增幅達7.6%；隨著堵塞比進一步增加到0.29，回流區局部當量比略有下降。

（4）來流溫度

圖8　回流區當量比隨鈍體堵塞比的變化Fig.8 Comparison ofΦlwith various blockage ratios

保持鈍體尾緣速度、噴口直徑，噴射距離和燃油供給量一定，來流溫度改變對鈍體回流區內局部當量比的影響如圖9所示。可見，回流區內當量比隨氣流溫度的提高而增加。原因是隨著溫度的提高，燃油液滴的蒸發增強，使得進入回流區內的氣態燃油量增加。從圖中還可看到：總當量比越大，回流區內當量比隨來流溫度的變化越劇烈。這是因為在噴口直徑一定的情況下，總當量比大意味著燃油噴射速度大，燃油的初始霧化液滴直徑小，溫度對燃油液滴的蒸發作用更明顯。

圖9　回流區當量比隨來流溫度的變化Fig.9 Comparison ofΦlwith different incoming flow temperature

（5）來流速度

保持來流溫度、噴口直徑，噴射距離和燃油供給量一定，來流速度改變對鈍體回流區內局部當量比的影響如圖10所示。由圖可知：回流區內當量比隨氣流速度的增加而變大。這是因為：一方面，隨著來流速度的提高，液滴與氣流的動量比減小，使得液滴的穿透減弱，燃油更多地分布在鈍體穩定器壁面附近；另一方面，速度的增加使得液滴初始階段的二次霧化更強，燃油蒸發加速，使得氣態燃油濃度增加。正是這兩方面的原因增加了進入鈍體回流區內的燃油流量，所以回流區內當量比隨氣流速度增加而變大的趨勢很明顯。

圖10　回流區當量比隨來流速度的變化Fig.10 Comparison ofΦlwith different incoming flow velocity

上述數值模擬結果表明，緊湊噴射模式下的氣動參數和特征結構參數，主要從燃油霧化、蒸發、分布等方面影響鈍體回流區內的局部當量比。文獻［5］依據試驗結果提出用綜合參數EP來預估回流區內的局部當量比，見式（5）。該綜合參數EP基于液氣動量比J、噴口直徑和鈍體尾緣速度，見式（6）。

本文進一步考慮溫度和噴射距離的影響，對綜合參數EP進行完善，見式（7）。完善后的EP和Φl的關系及其擬合曲線如圖11所示。

4　結論

通過數值模擬，研究了加力環境中緊湊噴射模式下鈍體回流區內局部當量比的影響因素，并完善了影響鈍體回流區內局部當量比的綜合參數EP，建立了回流區局部當量比和綜合參數值的簡易擬合關系。各氣動參數和特征結構參數對局部當量比的定性影響規律如下：

圖11　回流區內局部當量比隨綜合參數EP的變化Fig.11 The changes ofΦlwith the parameter EP

（1）回流區內局部當量比隨噴口直徑的增加而增加；

（2）回流區內局部當量比先隨噴射距離的增加而增加，但當距離大于一定值時，鈍體回流區內局部當量比很接近；

（3）回流區內局部當量比隨堵塞比呈現單峰形態；

（4）回流區內局部當量比隨氣流溫度的提高而增大；

（5）回流區內局部當量比隨氣流速度的增加而增大。

［1］ Colket M B III，Spadaccini L J.Scramjet fuels autoignition study［R］.ISABE 99-7069，1999.

［2］ Wadia A R，James F D.F110-GE-129 EFE：enhanced power through low risk derivative technology［R］.ASME 2000-GT-0578，2000.

［3］ Lovett J，Cross C，Lubarsky E，et al.A review mechanisms controlling bluff-body stabilized flames with closely-cou?pled fuel injection［R］.ASME GT2011-46676，2011.

［4］ DeZubay E A.Characteristics of disk-controlled flames［J］. Aero Digest，61（1）：54—56.

［5］ Klusmeyer A，Cross C，Lubarsky E，et al.Prediction of blow-offsofbluff-bodystabilizedflamesutilizing close-coupled injection of liquid fuels［R］.ASME GT 2012-69025，2012.

Numerical simulation of local equivalence ratio in the bluff body recirculation zone utilizing close-coupled injection of liquid fuels

CAO Zong-hua，XIE Jian-guang，LI Feng，LIN Jian-fu
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Aiming at the close-couple injection utilized by flame holders in advanced augmenters，a rectan?gle model including the bluff body was researched.The effects of incoming flow temperature，velocity，injec?tor diameter，injection orifices of the trailing edge and bluff body width on the local equivalence ratio in RZ （recirculation zone）were investigated.Numerical simulation indicates that the value of local equivalence ra?tio in RZ gets larger by increasing incoming flow temperature，velocity，injector diameter or bluff body width.The obtained data was used to develop a transfer function to predict the local equivalence ratio in the RZ based on the parameters.

aero-engine；afterburner；flame holder；close-couple injection；local equivalence ratio；numerical simulation

V231.2

A

1672-2620（2016）04-0022-05

2015-10-29；

2016-06-17

曹宗華（1983-），男，四川廣安人，工程師，碩士，主要從事加力燃燒室設計。