燃油分布以及來流紊流度對點火的影響

王超

摘 要：本文采用大渦模擬模計算方法對某型發動機燃燒室的點火過程的進行了數值模擬，模擬了電火花形成高溫火團后的火焰傳播的燃燒過程。通過分析數值模擬的結果認為燃燒室內的空氣流場與燃油霧化的油霧相互作用會影響燃燒室點火性能。

關鍵詞：環形燃燒室；大渦模擬；點火過程

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0029-02

1 引言

點火是所有航空燃氣輪機正常工作的關鍵步驟，航空發動機的高空再點火能力，是發動機設計的一個重要約束[1]。一個成功的點火過程通常分為三個階段[2]：第一階段是形成一個足夠尺寸和足夠溫度的有傳播能力的核心火團。這一階段的成敗主要取決于火花的能量和持續時間，以及在火花電極間隙附近油氣混合物的紊流度和油氣比。第二階段是該核心火團點燃點火器對應頭部的主燃區，形成穩定火焰。這個階段的成敗主要取決于空氣速度和燃料分布，也取決于火花塞的位置。第三階段是著火頭部向未燃頭部的火焰傳播。將所有未燃頭部引燃，建立穩定的燃燒工況，即認為點火成功。航空發動機點火是一個難點，由于低壓、低溫、霧化差而導致不得不增加昂貴復雜且沉重的點火裝置，對于直升機發動機來說， 其可靠性還需要大幅提升[3]。本文采用大渦模擬計算方法，對某型渦軸發動機的動態點火過程進行數值模擬研究。

2 計算模型及算法

燃燒室由14個頭部以及環形火焰筒組成，由于整個全環燃燒室模擬起來計算工作量太大，故取單個燃燒室頭部作為計算模型，圖1為環形燃燒室的單頭部結構示意圖，軸向為Z軸正方向，截面Z=18為點火位置軸向截面。

3 計算結果與分析

本次計算采用大渦模擬對點火過程進行模擬，點火源采用高溫熱源，燃油采用流量遞增式供給，該過程是一個非穩態的過程，點火時間從t=0ms開始，點火位置選在（0，193，18）。

3.1 油霧場分析

圖2和圖3分別為核心火團火焰向外傳播失敗與成功的油霧場與溫度場，其中Z=18為點火軸向截面。由圖可知，在t=43.7ms時，在渦團氣流的作用下，火焰開始向點火源的右側即X軸正向傳播，但是由于右側燃油濃度較低，并不能夠維持火焰持續傳播，導致火焰傳出后慢慢耗散掉，說明此時從核心火團發展出來的火焰并沒能持續將未燃區域點著。而時間推進到46.7ms時，火焰跟隨氣流與渦的運動被帶向點火源左側即x軸負方向，此時左側的濃度足夠高，能夠維持火焰的持續燃燒，并且點燃區域能夠向未燃的區域傳播火焰，當下游的燃油濃度分布能夠維持這一過程時，火焰能夠傳遞至整個燃燒室，說明此時核心火團火焰成功傳出，代表著點火成功。

3.2 三維火焰傳播過程

3.2.1 三維火焰傳播失敗過程

可以看到點火過程中，由局部高溫點燃的燃氣隨著各個無序渦的方向傳播，圖4為點火過程中的三維視圖，圖中溫度面為800K等值面。如圖所示，在43.7ms時，火焰跟隨渦團運動向Z軸負向、X軸正向傳播，但此時溫度等值面范圍很小，說明該時刻化學反應不強烈，火焰溫度不高。而到了44.7ms時，等值面開始往點火位置回縮，并且出現了火焰面不連續的現象，中間有火焰斷層，說明火焰向外傳播時，在氣流速度較大的區域，氣流速度帶走的熱量比燃燒反應生成的熱量要多，氣流將火焰生成熱量迅速帶走，而向外傳遞的熱量也未能將其他未燃區域點著，導致燃燒區溫度慢慢降低。而隨著點火源附近的燃油消耗，高溫區域越來越小，等值面繼續向點火位置回縮。到了45.7ms時，高溫面進一步縮小。從43.7ms到45.7ms火焰范圍可知，該段時間火焰傳播失敗，因為燃油濃度較低，燃燒速率較低，核心火團化學反應生熱率小，而周圍流動混氣很快帶走核心火團生成的熱量，生成熱量小于火團向外界的散熱量，燃燒區域溫度始終達不到爆炸反應溫度。核心火團的高溫燃氣被氣流帶到下游，生成的熱量在氣流傳播過程中被消耗，溫度也越來越低，化學反應速率也越來越低，產生的熱量越來越少，到一定程度時已經無法點燃新鮮混氣，此時傳播出來的火焰熄滅，導致點火失敗。

3.2.2 三維火焰傳播成功過程

在點火過程中，點火源在很多時段內會點燃附近混氣，向外傳播火焰，但是當外界條件不適合火焰傳播時，火焰不能持續燃燒，則點火失敗，當外界條件合適點火后，火焰順利從點火位置傳出，并能能夠在回流區穩定，火焰持續燃燒最終點燃整個燃燒室，說明點火成功。

圖5為46.7ms到49.7ms內三維火焰傳播圖，圖中溫度面為1600K溫度等值面。由圖可知，此時火焰是朝向Z正方向、X負方向傳播，與43.7ms至46.7ms時火焰的傳播規律完全不同，這也說明了點火過程中點火區域有許多無序的渦的生成與脫落，并且該區域的紊流度以及油氣比能夠使化學反應充分進行，所以高溫區范圍逐漸變大。當時間到達46.7ms時，經歷了前段時間的化學反應能量積累后，火焰跟隨渦團向X軸負方向傳播，由點火源軸向截面濃度分布圖可知，在43.7ms到46.7ms這段時間內，點火源附近濃度值并沒有太大的改變，所以影響點火的主要因素是：在此時出現了一個能量強的渦團，將火焰從點火位置帶出，并且該時刻新鮮混氣不斷的補充進來，保持火焰持續燃燒。到了48.7ms時，由火焰在回流區內持續穩定燃燒，火焰不斷向外傳播，高溫區域范圍繼續擴大，本文認為在該時刻點火成功。

4 結語

在進口溫度壓力幾乎不變的情況下，燃油分布以及來流紊流度是影響點火成功與否的重要因素，在局部高溫點火過程中，會有火焰不斷向外傳出，當燃油濃度不夠時，傳出火焰溫度不高且點火源附近燃油濃度不高，并不能將未燃區域點著；而在燃油濃度足夠時，由于來流的渦團方向各異，當渦團將火焰帶向燃油高濃度區域時，火焰能夠持續燃燒，繼續點燃未燃區域，而將火焰帶去低濃度區域時，火焰難以維持，最終火焰溫度被氣流帶走，導致點火失敗。

參考文獻

[1]Boileau M， Staffelbach G， Cuenot B，et al.LES of an ignition sequence in a gas turbine engine[J].Combustion and Flame，2008，154（1）：2-22.

[2]Marchione T，Ahmed S F，Mastorakos E.Ignition of turbulent swirling n-heptane spray flames using single and multiple sparks[J]. Combustion and Flame，2009，156（1）： 166-180.

[3]Jones W P， Tyliszczak A. Large eddy simulation of spark ignition in a gas turbine combustor[J].Flow，turbulence and combustion，2010，85（3-4）：711-734.