自耦合離心力場下燃燒特性數值模擬研究

朱樺

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

關鍵詞：駐渦燃燒室；離心力場；燃燒特性；數值模擬

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。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，如在環境壓力和環境溫度（27℃）下，當燃氣溫度為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。如航空發動機主燃燒室的回流區一般經由渦流器形成，渦流器的典型直徑在30～70mm左右，氣流經過渦流器后會形成兩個旋流流場，一個是經由流線形成的周向旋轉流場，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，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值模擬研究，分別數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。氣流從主流區和凹腔進氣孔以不同的速度進入燃燒室，都采用預混合氣，同時主流區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 網格劃分

本文中利用Gambit軟件對所建立的三維幾何結構進行網格劃分，結構不規則區選取適應性強的非結構化網格，結構規則區選取結構化網格。在燃燒室整個流通區域內進行網格劃分，對主燃區進行網格加密，而其他區域則選用相對較大的網格，這樣既可以很好地劃分網格，又可以適當地控制網格的數目，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數等于定值為原則，根據當地聲速，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定值。

（3）固體壁面條件：固體壁面絕熱，即不考慮壁面導熱。

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

4 計算工況

本文主要模擬發動機分別在進氣燃氣比、駐渦區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。基本參數如表1所示：

5 計算結果分析

對穩態狀態下不同凹腔進氣速度和凹腔進氣角度的燃燒狀態進行數值模擬，在研究中，凹腔區進氣有一定的角度，會產生一個切向的分速度，設為u。這個u會產生一個離心加速度G。改變凹腔進氣速度，即G由0G變化到20000G。

5.1 穩態下不同凹腔進氣角度下離心力場的大小比較

在相同的凹腔區進氣速度和主流進氣條件下，凹腔區進氣角度從0°增大到60°，凹腔區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 穩態下不同離心力下火焰傳播溫度圖

圖3為穩態下條件下的火焰傳播溫度圖溫度分布圖。在主流區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，火焰穩定的區域也隨之增加，說明火焰的均勻性更好。

6 結束語

總結圖分析得，隨著加速度的增加，火焰傳播的速度越來越快。當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形火焰封面。而且可以看出，加速度越快，其環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.