大渦模擬航空發(fā)動機(jī)加力燃燒室內(nèi)部流場

張書銘，楊雨，李井華

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

自20世紀(jì)初以來，航空事業(yè)得到了飛速的發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)作為航空飛行器的動力裝置也隨之快速發(fā)展，其性能等設(shè)計指標(biāo)也越來越高[1-2]。為了提高其作戰(zhàn)性能，軍用戰(zhàn)斗機(jī)廣泛采用加力燃燒室來增加其推力。傳統(tǒng)的加力燃燒室中的穩(wěn)定器以及燃油總管等部件在工作中極易發(fā)生過熱、變形以及燒蝕等現(xiàn)象，降低了發(fā)動機(jī)的可靠性。另一方面，先進(jìn)加力燃燒室在提高進(jìn)口溫度和壓力的同時，需要大幅度降低流體損失并減輕其質(zhì)量，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的加力燃燒室很難滿足需求，這使得加力燃燒室中許多部件的整體式造型和一體化設(shè)計成為必要。

從20世紀(jì)90年代起，CLEMENTS[3]提出將渦輪后框架與加力燃燒室一體化設(shè)計后，在國際上許多先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)加力燃燒室設(shè)計中廣泛采用一體化設(shè)計技術(shù)，美國第4代發(fā)動機(jī)F119[4]采用一體化設(shè)計思想，取消了加力燃燒室內(nèi)的混合裝置，減輕了發(fā)動機(jī)質(zhì)量。

隨著計算方法和計算能力的不斷提高，數(shù)值仿真技術(shù)已經(jīng)成為加力燃燒室設(shè)計中除實(shí)驗(yàn)之外的另一重要研究手段。孫雨超、張志學(xué)[5]等人提出了一種與渦輪后框架一體化的加力燃燒室方案,并用商業(yè)軟件Fluent對其進(jìn)行了三維冷態(tài)和熱態(tài)流場數(shù)值模擬研究，證明該方案具有良好的綜合性能。隨后李峰、王偉龍、鄒咪、尹成茗等[6-9]針對承力支板、中心錐、分流環(huán)等加力燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，提出了不同的一體化加力燃燒室設(shè)計，并開展了大量的數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證了所提出一體化設(shè)計的可行性。

因此，為了充分掌握加力燃燒室內(nèi)氣流的流動情況，滿足新一代航空發(fā)動機(jī)加力燃燒室的設(shè)計需要，本文基于LES計算方法，采用動態(tài)亞網(wǎng)格湍流模型，對某一體化加力燃燒室內(nèi)非反應(yīng)流場進(jìn)行計算，得到了加力燃燒室內(nèi)的時均和非穩(wěn)態(tài)流場分布。

1 數(shù)值模型

大渦模擬的基本思想基于湍流流動中渦團(tuán)的不同特征及表現(xiàn)，將其分為可直接求解的大尺度渦團(tuán)及需要亞網(wǎng)格模型進(jìn)行模化的小尺度渦團(tuán)。為了使模型更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)亓鲌鼋Y(jié)構(gòu)，GERMANO[10]提出了動態(tài)亞網(wǎng)格模型，該模型通過采樣最小的求解尺度，并利用這些信息來模擬亞網(wǎng)格尺度。在動態(tài)亞網(wǎng)格模型中，需要進(jìn)行兩次濾波。其中初次濾波尺度采用的是網(wǎng)格尺度，而在已求解尺度進(jìn)行的第二次濾波，其濾波尺度Δ要大于網(wǎng)格尺度。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:(a)^=為2次過濾;αij與βij為簡記的張量系數(shù)矩陣。

(5)

則式(5)可改寫為：

(6)

Lilly[11]采用最小二乘法計算Cd，得到：

(7)

其中括號“< >”表示時間平均過程，即：

(8)

式中α為<1的常數(shù)。

由于式(7)中Cd不是有界的，本文采用如下限制，提高模型的穩(wěn)定性，其中υSGS為亞格湍流黏度系數(shù)。

(9)

2 研究對象

本文的研究對象為某型一體化加力燃燒室。該燃燒室將渦輪最后一級導(dǎo)向葉片與加力燃燒室中的火焰穩(wěn)定器進(jìn)行一體化設(shè)計，其結(jié)構(gòu)主要由空心葉片、空心中心錐、凹腔點(diǎn)火區(qū)、隔熱屏以及燃油系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 一體化加力燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用商業(yè)軟件ICEM對一體化加力燃燒室分區(qū)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖2為燃燒室網(wǎng)格示意圖，其中在空心葉片內(nèi)部采用C型剖分對葉片壁面附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，總網(wǎng)格數(shù)為1400萬。

圖2 網(wǎng)格示意圖

計算設(shè)置進(jìn)口參數(shù)如表1所示。進(jìn)口速度采用時均速度加隨機(jī)脈動，出口采用自由出流；采用遮擋固體法[12]實(shí)現(xiàn)對壁面小孔的計算，規(guī)避計算域中的固體區(qū)域網(wǎng)格。對于有孔近壁面區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)，引入LevelSet函數(shù)對固體周圍流體區(qū)域進(jìn)行修正；無孔壁面處采用Werner-Wengle[13]近壁模型進(jìn)行處理；同時結(jié)合Van Driest[14]衰減函數(shù)對近壁區(qū)的湍流渦黏度系數(shù)進(jìn)行修正。

表1 進(jìn)口參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

圖3為加力燃燒室內(nèi)流向速度染色的Q準(zhǔn)則等值面圖，其中Q=107。其中Q取決于應(yīng)變率張量Sij與轉(zhuǎn)動張量Ωij：

(10)

由圖3可知在燃燒室筒體內(nèi)，大結(jié)構(gòu)渦逐漸拉伸、斷裂為小結(jié)構(gòu)渦團(tuán)，使得筒體后端渦團(tuán)尺寸明顯小于葉片尾緣附近的渦團(tuán)。同時部分外涵氣流通過空心葉片流入空心錐內(nèi)，在空心葉片內(nèi)部流道中，氣流與葉片壁面相互作用生成部分渦結(jié)構(gòu)，并隨著外涵氣流流入中心錐內(nèi)。在中心錐內(nèi)，氣流流道的突擴(kuò)作用導(dǎo)致渦團(tuán)逐漸耗散，尺寸逐漸變小。由于內(nèi)涵流道在凹腔點(diǎn)火區(qū)以及中心錐尾端位置處流道出現(xiàn)突擴(kuò)段，導(dǎo)致中心錐后部形成一個較大的回流區(qū)。

圖3 加力燃燒室流向速度染色Q準(zhǔn)則等值面圖

圖4為中心截面瞬時流向速度分布，圖5為葉片通道截面瞬時流向速度分布。由圖4和圖5可知，內(nèi)涵進(jìn)口氣流進(jìn)入葉片通道后，由于葉片的堵塞作用，氣流速度先增大，后隨著中心錐以及外涵通道的收縮，內(nèi)涵氣流再逐漸減速擴(kuò)壓；在凹腔點(diǎn)火區(qū)前端，中心錐型面的擴(kuò)張角度逐漸增大，在逆壓力梯度的作用下，該位置逐漸出現(xiàn)了流動分離。在凹腔點(diǎn)火區(qū)的底部，由于底部壁面處存在冷卻小孔，外涵氣流進(jìn)入中心錐后由底部小孔射出，使得內(nèi)涵氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在中心錐后側(cè)形成了一個較大的回流區(qū)，該回流區(qū)的高度略高于凹腔點(diǎn)火區(qū)的下壁面。由于葉片通道頂端壁面的擴(kuò)張角相比中心錐型面較小，氣流偏轉(zhuǎn)較小，使得同一流向位置處，在加力燃燒室筒體內(nèi)中心處的氣流流向速度明顯低于外側(cè)氣流速度。

圖4 中心截面瞬態(tài)流向速度分布

圖5 葉片通道截面瞬態(tài)流向速度分布

圖6為不同徑向位置葉片尾部時均流向速度分布云圖。由圖可知，在整個葉片后側(cè)存在被葉片尾部壁面狹縫內(nèi)的射流空氣所截斷的回流區(qū)。在不同徑向位置處的兩狹縫之間的主回流區(qū)大小存在一定的差異，葉片底部的回流區(qū)最大，葉片中部次之，葉片頂部的回流區(qū)最小；外涵氣流由葉片頂端進(jìn)入空心葉片內(nèi)部，葉片頂部氣流壓力和速度明顯高于葉片中部及葉片底部，使得狹縫與葉片通道之間的回流區(qū)在葉片頂部達(dá)到最大，而在葉片中部及底部相差不大。

圖6 葉片尾部時均流向速度分布云圖

圖7為葉片表面時均流向速度分布，其中圖7(a)為葉背位置，圖7(b)為葉盆位置。對比葉盆與葉背表面速度分布，可以發(fā)現(xiàn)在葉片中部、葉背處分離較為明顯。由圖7(b)可以看出在葉片前端、葉盆處也出現(xiàn)了較小的分離。這可能是由于導(dǎo)向葉片的攻角不能很好地貼合加力燃燒室進(jìn)口氣流，同時葉片上下端壁面作用導(dǎo)致二次流和低動量區(qū)的存在，但在該區(qū)域缺失相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法確定數(shù)值模擬出現(xiàn)的流動分析是否真實(shí)存在。

圖7 葉片表面時均流向速度分布

4 結(jié)語

本文基于LES計算方法采用動態(tài)亞網(wǎng)格模型，對一體化加力燃燒室內(nèi)的流場進(jìn)行初步預(yù)測，得到了非反應(yīng)流場的數(shù)值模擬結(jié)果。計算結(jié)果表明：1) 采用大渦模擬方法能夠模擬出加力燃燒室筒體內(nèi)尺寸較小的渦團(tuán)及渦團(tuán)的摻混耗散過程，由孔內(nèi)流入內(nèi)涵通道的氣流能夠很好地將加力燃燒室壁面與內(nèi)涵高溫氣流隔開，實(shí)現(xiàn)對空心葉片等高溫部件的冷卻；2) 由于中心錐型面擴(kuò)張角過大，在葉片通道內(nèi)出現(xiàn)了氣流分離，并在中心錐后側(cè)形成較大的回流區(qū)。在空心葉片尾部存在穩(wěn)定的回流區(qū)，此回流區(qū)被葉片尾部壁面上流出的氣流所隔斷，使得該回流區(qū)的結(jié)構(gòu)較小。