NexGen燃燒器火焰特性和換熱特性數值模擬研究

王 偉，李 陽

(中國民航大學a.民用航空器適航與維修重點實驗室；b.中歐航空工程師學院，天津300300)

NexGen燃燒器火焰特性和換熱特性數值模擬研究

王 偉a，李 陽b

(中國民航大學a.民用航空器適航與維修重點實驗室；b.中歐航空工程師學院，天津300300)

航空發動機防火試驗是發動機適航驗證的重要組成部分。利用ANSYS軟件對NexGen燃燒器建模仿真，選取RNG k-ε湍流模型和PDF燃燒模型，計算得到燃燒器的火焰分布、熱流密度分布及溫度分布。在此基礎上進行平板試件沖擊模擬試驗，分析沖擊火焰特性和沖擊換熱特性，重點研究了不同燃燒器旋流葉片傾角對試件換熱的影響，得到當旋流葉片傾角為45°時平板溫度最高、換熱最大的結論，相應結果可為發動機防火試驗提供指導。

航空發動機；適航標準；NexGen燃燒器；防火試驗；熱流密度；傾角；建模

1 引言

運輸類飛機適航標準[1](CCAR 25部)對飛機和發動機材料、部件、切斷閥及接頭等連接件的防火性和耐火性有明確規定，而防火試驗是進行防火符合性驗證最常用的方法。指定位置的火焰溫度和熱流，是防火試驗中影響試樣耐火能力的兩個最主要因素，AC20-135[2]中對這兩項指標有著明確規定。美國聯邦航空管理局(FAA)要求校準溫度在1 093±83℃之間，平均溫度≥1 093℃，熱流密度≥106 kW/m2；歐洲航空安全局(EASA)要求溫度在1 100±80℃之間，熱流密度在106±10 kW/m2之間[3]。對于防火試驗的研究有試驗法和仿真法兩種，國外的發動機防火試驗研究以美國辛辛那提大學防火實驗中心的為主。辛辛那提大學防火實驗中心依托其完備的實驗條件和設備，開展了大量的防火試驗研究。研究內容包括燃燒器火焰溫度和熱流密度的影響因素，熱電偶的測量方法及燃油和空氣的流量等，并同時研究了燃燒器火焰分布與試件燒灼時間之間的關系，但試驗并沒有考慮浮升效應的影響和不同燃燒器傾角對試件換熱的影響。

我國對發動機防火試驗的研究較少，僅發布了一些組件的防火試驗標準，實際的防火試驗受制于設備的不完備進展緩慢。國內主要通過計算流體力學仿真軟件，研究了燃燒器的火焰特性和流場特性以及燃燒和湍流模型對防火試驗的影響。本文通過建立NexGen燃燒器的三維模型，在辛辛那提大學防火試驗研究的基礎上，分析燃燒器的火焰特性和平板換熱特性，對比不同情況下平板溫度分布和換熱特性，并重點研究燃燒器旋流葉片傾角對平板試件換熱的影響，以期為實際發動機防火試驗的開展提供指導。

2 計算模型

平板沖擊射流流動中包含自由射流區、停滯區和壁面射流區。對高溫高速氣體射流沖擊換熱進行數值模擬，主要以求解雷諾平均運動方程與脈動方程為基礎，結合理論及經驗提出的一系列模型假設，建立一組描寫湍流平均量的封閉方程組。目前，研究者多采用標準k-ε模型、RNG k-ε模型及LES模型研究沖擊平板射流。本文對湍流過程的模擬使用RNG k-ε模型。盡管采用RNG k-ε湍流模型模擬氣體射流沖擊平板傳熱時有一定誤差，但對于工程應用該誤差在可接受范圍內，且該模型可用于傳熱計算分析[4]。RNG k-ε湍流模型方程為：

式中：Gk是由層流速度梯度而產生的湍流動能，Gb是由浮力而產生的湍流動能，YM是在可壓縮湍流中擴散產生的波動項，SK由用戶定義。

對于燃燒模型，王海峰等[5]分別采用PDF、穩態和非穩態火焰面模型模擬一個值班湍流射流擴散火焰，得到PDF模型的計算結果與試驗結果的符合性最好。因此本文選用PDF模型進行仿真計算。輻射模型選擇Pn模型中最簡單的P-1模型。在燃燒等光學厚度很大的問題中，P-1模型的計算效果都比較好。

3 網格模型與邊界條件

3.1 幾何模型與網格劃分

NexGen航空燃油燃燒器的結構如圖1所示，主要由通風管、燃油噴嘴、點火器、旋流器、擾流器以及擴張錐等組成。

若如實建立燃燒器的幾何模型，燃油噴嘴、點火器、導流葉片和湍流發生器部分將大大增加幾何模型的復雜度，并且由于這幾部分網格要細化會導致網格數量大大增加，因而要進行合理簡化。NexGen燃燒器使用的燃油噴嘴是80°Monarch PL型燃油噴嘴，其作用是使燃油霧化并形成80°角的中空錐形噴射，可以使用cone噴嘴模型代替。通過設置cone模式中的燃油粒子半徑和旋流度，可以使油氣更好地混合，同時可以簡化擾流器。點火器的作用是產生瞬間高能點燃燃料，可以用高溫區替代點火器。

依據FAA給出的尺寸建立模型，并建立邊長為800 mm的正方體計算域和300 mm×300 mm的沖擊平板試件。燃燒器幾何模型如圖2所示。

使用商用軟件ANSYS ICEM建立NexGen燃燒器的網格模型，設置進口空氣的雷諾數為24 675。在計算域內對截面處和擴張錐出口處分別加密。旋流器部分使用混合網格劃分。總網格數為240萬，其中計算域網格數占56%。燃燒器網格模型如圖3所示。

3.2 邊界條件

使用C12H 23代替Jet-A航空煤油和20組分的組分模型仿真燃燒反應。根據FAA設定的試驗要求設置邊界條件。其中空氣使用速度入口邊界條件，速度為3.642 m/s，空氣入口湍流強度為4.6%，水力直徑為0.1 m，噴嘴使用cone噴嘴模型，燃油流量設為0.001 kg/s，噴油速度為1.000 m/s，燃油溫度設置為300 K。平板表面的熱邊界條件由能量平衡實現，試件平板材料選用6061鋁，發射率設置為0.2。邊界處設置為壓力出口，湍流強度為5%。

4 計算結果分析

4.1 火焰特性分析

AC20-135和ISO2685對發動機防火試驗燃燒器火焰溫度和熱流密度有嚴格要求。防火試驗采用熱電偶校準火焰，要求7個熱電偶的平均溫度在1 100± 80℃之間，同時熱流密度在116±10 kW/m2之間。圖4示出了仿真計算7個熱電偶位置的溫度和熱流密度，平均溫度為1 984 K，平均熱流密度為117.3 kW/m2。辛辛那提大學防火實驗中心熱電偶實測溫度平均約為1 400 K，考慮熱點補償損失真實平均溫度在1 800～1 900 K之間[6]。可見仿真結果與試驗結果相近，且滿足AC20-135和ISO2685對發動機防火試驗燃燒器火焰溫度和熱流密度的要求，故可認為得到的是標準火焰。

平板沖擊火焰的溫度和速度分布如圖5所示。從速度圖可以看出，空氣在進氣道通過旋流器時速度變大產生旋流，旋流器發揮了產生旋流使油氣混合更充分的作用。氣流從噴嘴噴出后，速度逐漸降低并在平板前有段回流區。氣流到達平板時，沖擊速度迅速減小為零，方向沿平板流出。在壁面附近，氣流的壓力和溫度都急劇升高。由于浮升效應原因，火焰上漂明顯。

4.2 沖擊換熱特性及燃燒器旋流葉片傾角的影響

平板周圍氣流分布是決定平板通風換熱特性的關鍵因素[7]，平板表面換熱的兩種主要形式是對流換熱和輻射換熱[8]。對流換熱量和輻射換熱量的計算公式分別為：

式中：r為流體導熱系數，Ts為平板溫度，TM為沖擊火焰溫度，Nu為局部努賽爾數，C0為平板輻射系數，ws為平板表面發射率。可見，輻射換熱量與溫度成四次方關系，而對流換熱量與溫度成一次方關系。

平板的沖擊換熱特性如圖6所示。平板中心區域換熱最劇烈，此時輻射熱流密度和總的熱流密度最大，總熱流密度最大值約為75 kW/m2，平均熱流密度約為60 kW/m2。其中平板上的平均輻射熱流密度約為45 kW/m2，約占總熱流密度的75%。

考慮燃燒器傾斜時重力對浮升效應的影響，分別設定燃燒器旋流葉片傾角為0°、20°、45°和60°。圖7示出了不同傾角下燃燒器的火焰形態。可見，隨著傾角的增大，火焰的浮升效應越來越不明顯，火焰分布相對越來越集中。這是因為傾角的增加，抵消了一部分產生浮升效應的重力因素。

此時考慮平板試件在不同傾角下的換熱，分別選取平板上的熱流密度、Nu數、溫度及壓力分布進行對比，結果數據見表1。同時，選取平板中心線處的溫度和熱流密度分布進行對比，結果如圖8所示。從表1和圖8中可看出，燃燒器從水平到傾斜45°的過程中，沖擊面的熱流密度逐漸升高，最大熱流密度H ＝max約從74 kW/m2升高到101 kW/m2，表明沖擊火焰與平板的換熱加強。從靜壓pa和靜溫T ＝max(/ T ＝avg)的比較看，沖擊流的最高靜壓和靜溫都有所增加，平板中心線上溫度分布越來越集中且逐漸增大，從1 100 K增加到1 300 K左右。射流的沖擊換熱作用有所加強，這是因為在沖擊換熱表面速度梯度增大，邊界層變薄，導致換熱加強。但繼續增大傾斜角度，換熱反而會變小。但表征對流換熱劇烈程度的努塞爾數Nu ＝max有逐漸增大的趨勢，說明對流換熱密度隨著傾角的增加而增加。另一方面，燃燒器旋流器角度大于零時火焰沖擊壓強更大。

表1 傾角為0°、20°、45°和60°的結果數據Table 1 Results of inclination of 0°,20°,45°,60°

5 結論

利用ANSYS軟件建立了NexGen燃燒器的幾何模型和網格模型，利用數值計算方法得到了自由火焰和沖擊火焰的溫度場、熱流密度、速度場等分布，并且滿足發動機防火試驗的試航要求。同時，分析了平板試件火焰沖擊的熱交換特性，得到了輻射換熱量約占到總換熱量75%的結論。最后考慮到火焰的浮升效應，對比了燃燒器傾角分別為0°、20o、45°和60°時的平板換熱特性，得出當傾角為45°時換熱最劇烈和試件平板溫度最高的結論。相關結論可為發動機適航審定防火試驗提供指導，后繼還將深入研究試件擺放方式對換熱的影響。

[1]CCAR-25-R4，運輸類飛機適航標準[S].

[2]Advisory circular 20-135:Powerplant installation and pro?pulsion system component fire protection test methods[S].

[3]CFR14 Part 33，Airworthiness standards:Aircraft engines [S].

[4]劉小軍，傅德彬，牛青林，等.燃氣射流沖擊傳熱特性的數值模擬[J].爆炸與沖擊，2015，35(2)：229—235.

[5]王海峰，陳義良，劉明侯.湍流擴散燃燒的數值研究——PDF方法和火焰面模型的性能比較[J].工程熱物理學報，2005，26(S1)：241—244.

[6]Kao Y H.Experimental investigation of NexGen and gas burner for FAA fire test[D].Cincinnati：University of Cin?cinnati，2012.

[7]韓雅慧.氣體壓力對氣流沖擊平板換熱特性的影響研究[J].制造業自動化，2012，12：93—103.

[8]楊世銘，陶文栓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：13—57，498.

Num erical sim u lation analysis of flam e and heat transfer characteristics of NexGen bu rner

WANG Weia，LI Yangb
(a.Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance；b.Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

Aero-engine fire test is an important part of airworthiness certification.The NexGen burner was simulated and analyzed by ANSYS.W ith RNG k-εturbulence model and PDF combustion model,the dis?tribution of flame,heat flux density and temperature field were obtained.On this basis,the plate impact sim?ulation test was carried out to analyze the characteristics of flame and heat transfer,focusing on the effect of the different inclination of swirling vane on the heat transfer.The results show that the plate has the highest temperature and heat transfer value when the inclination angle is 45°,which can provide guidance for the engine fire experiments.

aero-engine；airworthiness standars；NexGen burner；fire test；heat flux density；inclination；modeling

V241.06

：A

：1672-2620(2017)02-0058-05

2016-07-27；

：2016-09-29

中國民航大學天津市民用航空器適航與維修重點實驗室開放基金；中央高校基本科研業務費專項基金(ZXH 2012J003)

王 偉(1977-)，男，河南許昌人，副教授，博士，研究方向為航空發動機適航審定。