自耦合離心力場下燃燒特性數(shù)值模擬研究

朱樺

摘 要：在駐渦燃燒室中，旋流產(chǎn)生的離心效應(yīng)可以有效提高燃燒速率，有助于實現(xiàn)高效緊湊燃燒。文章利用Fluent軟件計算獲得了凹腔區(qū)進氣角度和速度對凹腔區(qū)離心力場的影響規(guī)律，結(jié)果表明凹腔區(qū)進氣速度和進氣角度是影響離心力場的主要因素：對于不同的凹腔區(qū)進氣角度（0～60°），離心加速度隨著凹腔區(qū)進去角度的增大而增大。隨著進氣速度的增加（500G到20000G），火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增加，火焰均勻性也得到提高。

關(guān)鍵詞：駐渦燃燒室；離心力場；燃燒特性；數(shù)值模擬

中圖分類號：TK44 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0021-02

在動力裝置燃燒領(lǐng)域中，自耦合離心力作用下的燃燒極為常見，對燃燒性能的影響也更為突出和關(guān)鍵。目前大部分動力裝置的燃燒都依靠回流流場或旋流流場來實現(xiàn)。在離心力強度較大時，回流流場中離心力所帶來的影響不能忽略，如在環(huán)境壓力和環(huán)境溫度（27℃）下，當(dāng)燃氣溫度為1927℃時，1立方英尺的熱燃氣受到的浮升力為0.2835N，而在3000g（3000個重力加速度）離心力場中，浮升力增加到860N，增加了3000多倍，是該團燃氣所受到重力的17000倍[1、2]。隨著狀態(tài)的變化，各動力裝置燃燒室中離心力的強度也隨之變化，從幾個重力加速度變化至2-3萬重力加速度。如航空發(fā)動機主燃燒室的回流區(qū)一般經(jīng)由渦流器形成，渦流器的典型直徑在30～70mm左右，氣流經(jīng)過渦流器后會形成兩個旋流流場，一個是經(jīng)由流線形成的周向旋轉(zhuǎn)流場，典型的切向線性速度約為20～50m/s左右，另一個是由壓力梯度形成的軸向回流區(qū)，典型切向線性速度約為10～30m/s左右。按照上述典型的直徑和速度數(shù)值計算，兩個回流流場離心加速度分別在1000g～15000g和500g～12000g之間。

本文主要利用流體計算軟件Fluent開展自耦合離心力場下燃燒性能數(shù)值模擬研究，分別數(shù)值模擬在不同凹腔進氣速度（0G～20000G）和凹腔進氣角度（0～60°）情況下的離心力場和燃燒特性。

1 三維模型

如圖1所示，模型主要包括駐渦火焰筒筒體、中心鈍體和兩排均勻分布在凹腔外壁上的進氣孔（共24個），凹腔進氣孔與模型凹腔壁成β角度。氣流從主流區(qū)和凹腔進氣孔以不同的速度進入燃燒室，都采用預(yù)混合氣，同時主流區(qū)的進氣角度保和速度持不變，通過改變凹腔進氣口的進氣速度和進氣角度來研究離心力場的變化和燃燒特性。

2 網(wǎng)格劃分

本文中利用Gambit軟件對所建立的三維幾何結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)不規(guī)則區(qū)選取適應(yīng)性強的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)規(guī)則區(qū)選取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在燃燒室整個流通區(qū)域內(nèi)進行網(wǎng)格劃分，對主燃區(qū)進行網(wǎng)格加密，而其他區(qū)域則選用相對較大的網(wǎng)格，這樣既可以很好地劃分網(wǎng)格，又可以適當(dāng)?shù)乜刂凭W(wǎng)格的數(shù)目，有利于流場的計算。

3 邊界條件

（1）進口邊界條件：以保證進口Ma數(shù)等于定值為原則，根據(jù)當(dāng)?shù)芈曀?，計算出進口速度。

（2）出口邊界條件：以保證主出口總壓為進口理論計算總壓的95%為原則，保持主出口壓力不變，使出口的流量達到確定的規(guī)定值。

（3）固體壁面條件：固體壁面絕熱，即不考慮壁面導(dǎo)熱。

（4）周期性條件：對所截取的燃燒室扇形段的兩側(cè)截面設(shè)置為周期性邊界條件，對于周期性條件有：

4 計算工況

本文主要模擬發(fā)動機分別在進氣燃氣比、駐渦區(qū)進氣角度和速度以及主流進氣速度變化的情況自耦合離心力場下燃燒性能。基本參數(shù)如表1所示：

5 計算結(jié)果分析

對穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下不同凹腔進氣速度和凹腔進氣角度的燃燒狀態(tài)進行數(shù)值模擬，在研究中，凹腔區(qū)進氣有一定的角度，會產(chǎn)生一個切向的分速度，設(shè)為u。這個u會產(chǎn)生一個離心加速度G。改變凹腔進氣速度，即G由0G變化到20000G。

5.1 穩(wěn)態(tài)下不同凹腔進氣角度下離心力場的大小比較

在相同的凹腔區(qū)進氣速度和主流進氣條件下，凹腔區(qū)進氣角度從0°增大到60°，凹腔區(qū)進氣速度的切向分量u增大，由離心加速度的定義可知增大。同時從圖2中可以看出，隨凹腔進氣角度的增大，整個流場某處達到的最大離心力隨之增大，并且可以看出最大離心力的范圍隨角度的增大而增大。

5.2 穩(wěn)態(tài)下不同離心力下火焰?zhèn)鞑囟葓D

圖3為穩(wěn)態(tài)下條件下的火焰?zhèn)鞑囟葓D溫度分布圖。在主流區(qū)流體速度相同的情況下，由圖3可以分析出，火焰通過鈍體達到火焰穩(wěn)定的時，其流過的距離是隨著凹腔進口速度的增大（即500G、5000G、120000G、15000G和200

00G）而變短的。因此可以定性的得出，隨著凹腔進氣速度的增大，火焰的傳播速度是隨之增大的。而且，火焰穩(wěn)定的區(qū)域也隨之增加，說明火焰的均勻性更好。

6 結(jié)束語

總結(jié)圖分析得，隨著加速度的增加，火焰?zhèn)鞑サ乃俣仍絹碓娇臁．?dāng)加速度比較小的時候，最后形成的是一個圓錐形的火焰面，火焰面較大。當(dāng)加速度比較大的時候，最后形成的是一個火焰面比較小的環(huán)形火焰封面。而且可以看出，加速度越快，其環(huán)形火焰面的面積越小。

參考文獻：

[1]Lewis， G.D.， “Centrifugal-Force Effects on Combustion，” proc. 14th. Symposium.（International） on Combustion， The Combustion Institute，1973：413-419.

[2]Lewis， George D，“Swirling Flow Combustion - Fundamenta

ls and Application，”9th AIAA/SAE Propulsion Conference， AIAA 73-1250. Las Vegas， NV：1973.