主燃級旋流數(shù)對中心分級燃燒室流場的影響

李美燁，程 明，林宏軍，常 峰

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

在燃燒室中，流場特性是體現(xiàn)燃燒組織方式的1個重要方面，同時對燃燒性能造成直接影響[1-2]。燃燒室中回流區(qū)過長會使燃燒區(qū)后移，火焰外伸，出口溫度場變差，造成渦輪燒蝕，回流區(qū)徑向尺寸過大，會使高溫燃燒區(qū)靠近壁面，破壞火焰筒的氣膜冷卻，嚴(yán)重時燒壞火焰筒壁面。現(xiàn)代燃燒室中的旋流器是形成流場的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計對于得到穩(wěn)定、尺寸合適的回流區(qū)起到重要的控制作用[3-5]。國內(nèi)外學(xué)者針對旋流器后的流場特性開展大量的數(shù)值模擬及試驗研究。Thundi等[6]運用Fluent研究不同旋流器葉片角度對燃燒室流場結(jié)構(gòu)的影響，與試驗結(jié)果比較，表明標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于弱旋流，而雷諾應(yīng)力模型對強旋流更為適用；Pandu[7]試驗測量單級旋流器突擴矩形燃燒室內(nèi)流場，表明通過減小旋流器的氣流壓降，使旋流器下游回流區(qū)尺寸相應(yīng)減小；劉殿春等[8]研究發(fā)現(xiàn)外旋流器是決定SACS燃燒室氣流結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。中心分級燃燒組織方式作為1種徑向分區(qū)分級組織概念，在高溫升燃燒室上被廣泛采用[9-10]。其設(shè)計思路是通過火焰筒頭部2級旋流器在徑向形成2個燃燒區(qū)，預(yù)燃級氣流在中心形成預(yù)燃級回流區(qū)，主燃級氣流在外圍形成主燃燒區(qū)。預(yù)燃級回流區(qū)徑向尺寸、主燃區(qū)與預(yù)燃區(qū)的相互干涉以及整個燃燒區(qū)的長度直接影響分級分區(qū)燃燒組織[11-13]。

本文以某中心分級燃燒室的頭部旋流器為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法分析中心分級燃燒室的流場特性及主燃級旋流器旋流數(shù)對中心回流區(qū)的影響。

1 研究對象

某中心分級燃燒室頭部結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由預(yù)燃級和主燃級組成。預(yù)燃級在內(nèi)，包括2級旋流器與中心離心霧化噴嘴，2級旋流器形成中心回流區(qū)來穩(wěn)定火焰，離心霧化噴嘴用于保證小狀態(tài)下良好的霧化性能；主燃級在外，包括主燃級旋流器與直射式空氣霧化噴嘴[14-15]，主燃級旋流器采用旋流與非旋流組合形式來控制主燃級旋流數(shù)，形成主燃燒區(qū)，空氣霧化噴嘴用于保證大狀態(tài)下具有良好的燃燒性能。

為了研究主燃級旋流數(shù)對中心分級流場的影響，在基準(zhǔn)方案1（旋流和非旋流空氣流量比例2∶1）的基礎(chǔ)上，保證主燃級空氣流量基本不變，將主燃級旋流與非旋流流量比例調(diào)節(jié)到1∶1，形成方案2。

圖1 中心分級旋流器結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

在實際物理模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建簡化的幾何模型，如圖2所示。整個計算域由集氣筒、旋流器和火焰筒排氣段3部分組成，計算過程不考慮燃燒室的實際形狀和冷卻孔結(jié)構(gòu)分布。由圓筒形集氣筒將空氣引入中心分級頭部，氣體在旋流器出口產(chǎn)生一定的氣動轉(zhuǎn)角后，進入與集氣筒相同直徑的圓筒形火焰筒，最后由倒角為45°的收斂段排出。

圖2 計算模型

采用ICEM軟件對計算模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為1053萬，節(jié)點數(shù)目為182萬，網(wǎng)格如圖3所示。

2.2 湍流模型

采用Fluent進行流場特性數(shù)值模擬，在計算模型的控制方程中，湍流模型采用Realizable k-ε[16]模型，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用SIMPLE算法進行壓力-速度耦合計算，求解器采用隱式分離求解器，離散格式采用2階迎風(fēng)精度。

圖3 計算模型網(wǎng)格

2.3 邊界條件

進口條件：壓力進口，壓力為3400 Pa，溫度為300 K。出口條件：壓力出口，壓力為0 Pa（背壓設(shè)為大氣壓101325 Pa），溫度為300 K。

空氣：進出口馬赫數(shù)小于0.3，采用不可壓理想氣體。

3 結(jié)果分析

3.1 基準(zhǔn)方案頭部流場結(jié)果分析

過旋流器中心線截面基準(zhǔn)方案旋流器下游的軸向速度Vx矢量如圖4所示。坐標(biāo)原點設(shè)置在旋流器進口平面中心，x軸設(shè)在旋流器進、出口的中心線上，其中橫、縱坐標(biāo)分別為沿氣流的軸向和徑向距離與圓筒型火焰筒直徑的比值。從圖中可見，基準(zhǔn)模型下游整個流場沿火焰筒中心軸線y=0均勻?qū)ΨQ，中心形成穩(wěn)定的低速回流區(qū)。氣體通過中心的2級旋流器形成2股同軸的旋轉(zhuǎn)射流，在流場形成明顯的徑向分區(qū)，即直流區(qū)和回流區(qū)。預(yù)燃級在中心形成低速回流區(qū)，主燃級由于采用弱旋，直流流出旋流器出口，受預(yù)燃級回流區(qū)的影響，在流場下游與預(yù)燃級有部分氣流摻混，參與中心回流區(qū)的形成。

中心截面基準(zhǔn)模型軸向速度對比如圖5所示，圖中對基準(zhǔn)旋流器下游部分流場的PIV試驗測量與數(shù)值模擬結(jié)果進行定性分析。PIV試驗狀態(tài)與數(shù)值模擬保持一致，均在常壓常溫下進行。計算結(jié)果與試驗結(jié)果的發(fā)展趨勢基本一致，射流形態(tài)對稱，回流區(qū)渦心位于過旋流器的中心線上，說明該數(shù)值模擬采用的方法基本可靠。由于單頭部燃燒室的計算模型與試驗件結(jié)構(gòu)不同，造成數(shù)值模擬與試驗結(jié)果的差異，這里不作進一步討論。

圖4 中心截面基準(zhǔn)模型速度矢量

圖5 中心截面基準(zhǔn)模型軸向速度對比

3.2 主燃級旋流數(shù)的影響

3.2.1 回流區(qū)特征

中心截面2種方案的流線如圖6所示。主燃級在2種方案中都形成了穩(wěn)定的回流區(qū)，回流中心有2個對稱的由氣體內(nèi)外壓差產(chǎn)生的渦，由于主燃級方案1主燃區(qū)區(qū)域徑向尺寸比方案2的小，受預(yù)燃級回流區(qū)影響較大，說明旋流數(shù)的減少會影響主燃燒區(qū)的徑向分布，使徑向分區(qū)不明顯。

圖6 中心截面2種方案流線對比

通過軸向零速度畫出的2種方案的回流區(qū)邊界如圖7所示。2種方案在軸向上的預(yù)燃級回流區(qū)寬度隨x/D的增大均先增大后減小。在徑向上方案1、2的回流區(qū)最大徑向?qū)挾确謩e位于x/D=0.84、0.96處，方案2較方案1最大徑向?qū)挾任恢煤笠疲桨?的回流區(qū)最大徑向?qū)挾嚷源蟆７桨?的預(yù)燃級回流區(qū)中心渦較大，偏向火焰筒壁面，方案2的預(yù)燃級回流區(qū)中心渦較小，偏向火焰筒中心。隨著主燃級旋流數(shù)的減少，主燃級切向速度減小，軸向速度分量增大，對回流區(qū)有壓制作用，使得回流區(qū)位置后移，徑向尺寸增加，渦心向火焰筒中心靠攏，較長的預(yù)燃級回流區(qū)會給燃燒室的出口溫度場調(diào)節(jié)帶來困難。說明減少主燃級旋流數(shù)對預(yù)燃級回流區(qū)尺寸和位置均造成一定影響。

3.2.2 各截面速度分布

為了分析主燃級旋流數(shù)對旋流器下游流場變化的影響，分別取 4 個特征截面 x/D=0.24、0.42、0.61、0.79，觀察其軸向速度沿徑向的分布趨勢，如圖8所示。

圖7 中心截面2種方案回流區(qū)對比

在x/D=0.24截面，沿徑向分別存在2個順流區(qū)和3個逆流區(qū)，其中3個逆流區(qū)分別為預(yù)燃級形成的中心回流區(qū)、預(yù)燃級與主燃級出口形成的唇口回流區(qū)和火焰筒與主燃級出口形成的角回流區(qū)，順流區(qū)2個峰值為主燃級與預(yù)燃級出口下游軸向速度。2種方案的速度分布基本相同，主燃級旋流數(shù)的變化對旋流器下游的唇口回流區(qū)和角回流區(qū)氣流的軸向速度沒有明顯影響。

在x/D=0.42截面，軸向速度沿徑向先增大至峰值后減小，2個速度峰值逐漸合為一處，此時主燃級部分氣流與預(yù)燃級摻混。方案2的峰值位置更靠近中心處，回流區(qū)的半徑基本一致。

在x/D=0.61、0.79截面，方案1、2的流場分布趨勢基本相同。但由于方案2主燃級旋流數(shù)減少，回流區(qū)渦心后移，其整體速度分布向中心靠近，軸向速度峰值和回流速度峰值均增大，回流區(qū)徑向半徑減小。在x/D=0.79處，方案1的回流區(qū)已趨向于結(jié)束。對比截面A、D，方案2的回流速度衰減得更緩慢。

旋流器中心線上軸向速度沿x軸正向的分布趨勢如圖9所示。在旋流器出口到x/D=0.5的位置，中心線上軸向速度沒有明顯變化。在x/D＞0.5的位置，2種方案的軸向速度變化趨勢相同，受主燃級軸向速度增大的影響，方案2的回流區(qū)軸向速度明顯較方案1的增長緩慢。

圖9 旋流器中心線軸向速度分布

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法分析了中心分級流場特性及主燃級旋流數(shù)對中心回流區(qū)影響，得到以下結(jié)論。

（1）2種頭部結(jié)構(gòu)均在下游形成徑向分區(qū)，預(yù)燃級氣流在中心線上形成低速回流區(qū)，受預(yù)燃級回流區(qū)影響，主燃級部分旋流氣體與預(yù)燃級摻混，影響中心回流區(qū)的形成，主燃級未形成單獨的回流區(qū)。

（2）主燃級旋流數(shù)的變化對頭部流場分布有明顯影響。隨著主燃級旋流數(shù)的減少，主燃級氣流切向速度減小，主燃級徑向尺寸增加，徑向分區(qū)明顯；預(yù)燃級回流區(qū)位置后移，渦心向火焰筒中心靠攏。