摻混孔排列方式對中心分級燃燒室性能的影響

里海洋，王成軍，于建橋，馬 鈺

(沈陽航空航天大學 航空發動機學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

燃燒室是航空發動機的核心部件之一，其性能參數對航空發動機的工作效率具有很大影響，隨著航空發動機技術的不斷進步，對燃燒室各項性能指標的要求越來越高，高溫升、高推重比和低污染物排放已經成為燃燒室未來的發展趨勢[1]。在燃燒室的幾大部件中，火焰筒是燃燒室的重要部件之一，燃燒和一系列化學反應均在火焰筒中進行。火焰筒壁面上開有若干進氣孔，按照位置和功用的不同分為主燃孔、補燃孔、摻混孔和冷卻孔。其中，摻混孔位于火焰筒的后部，通過控制流入摻混區的摻混氣與主燃區的高溫燃氣混合起到調控燃燒室出口溫度場的作用[2]，摻混孔的幾何參數與氣動參數影響著摻混氣與燃氣的混合效果，而混合效果的優劣直接影響著燃燒室的出口溫度分布等性能。

國內外學者就摻混孔的幾何參數對燃燒室出口特性的影響展開了一系列研究。鄭順等[3-4]研究了摻混孔形狀與位置對中心分級燃燒室性能的影響，得出了使燃燒室性能最優的摻混孔方案。張征等[5]通過提出一種比擬的方法，對摻混孔孔徑改變后燃燒室出口溫度分布所發生的變化進行預估，為實驗提供了理論依據。鐘世林[6]通過研究摻混孔的結構參數對燃燒室出口溫度場的影響規律，得出了影響出口溫度場的關鍵因素是摻混射流穿透深度，為燃燒室出口溫度分布的改善明確了優化方向。Povey等[7]通過改變摻混孔的大小，改善了燃燒室的出口分布，提高了燃燒室的出口性能。

綜上所述，摻混孔的幾何參數對燃燒室性能影響的研究具有重要意義。本文以中心分級燃燒室為研究對象，采用數值模擬的方法，研究摻混孔排列方式對中心分級燃燒室速度場、溫度場、污染物排放量等性能的影響。

1 研究對象及方法

1.1 建立幾何模型

利用三維建模軟件Solidworks2019建立中心分級燃燒室幾何模型，模型由三級徑向旋流器、機匣及火焰筒等部件組成。火焰筒長度為0.29 m，其結構如圖1所示。三級徑向旋流器主要由主燃級旋流器、值班級旋流器、壓力霧化噴嘴、文氏管和套筒組成，如圖2所示。旋流器通過氣流旋向方式劃分葉片安裝角，主燃級旋流器的氣流旋向采用逆時針進氣，葉片安裝角為45°，葉片數量為36個；值班級旋流器分為兩級，第一級采用順時針進氣，第二級采用逆時針進氣，葉片安裝角分別為45°和60°，葉片數量均為12個。

圖1 中心分級燃燒室幾何模型

圖2 旋流器結構

1.2 計算域網格劃分

在設計中心分級燃燒室幾何模型的過程中，對火焰筒等結構進行了簡化設計，使整個幾何模型中只剩三級徑向旋流器的結構最為復雜，所以為了方便研究與節省數值模擬計算的時間，在劃分中心分級燃燒室計算域網格時，對網格采用分區域劃分法和混合劃分法，即劃分三級旋流器等結構復雜區域以及主要燃燒區域時采用四面體網格，劃分簡單結構時采用六面體網格。對含有旋流器的結構復雜區域采用網格加密處理，網格劃分如圖3所示。通過對劃分的網格進行網格無關性驗證，如圖4所示選取網格數量為506萬、515萬、540萬和586萬4種方案，得出當網格數量增加到506萬以上時，中心回流區形狀和大小基本保持不變，最終選擇計算網格的數量為506萬。

圖3 中心分級燃燒室計算域網格

圖4 不同網格數下燃燒室中心回流區大小

1.3 計算模型及邊界條件

利用計算流體力學軟件FLUENT進行數值模擬計算，由于燃燒室中的氣體雷諾數較大，氣體流動屬于強湍流流動，故模型選擇Realizablek-ε湍流模型，采用SIMPLE的方法對壓力-速度耦合進行求解，擴散項采用中心差分格式，求解方式為隱式分離求解，選擇非預混燃燒概率密度函數(PDF)模型作為湍流燃燒模型，污染物排放量采用熱力型NOx模型來進行計算，將流體視為理想流體，燃燒室進口邊界條件為質量進口，質量流量設置為3.8 kg/s，進口溫度為850 K;湍流強度為5%，水力直徑為0.11 m 。燃燒室出口邊界條件為壓力出口，壓力設置為一個大氣壓，湍流強度為5%，水力直徑為0.09 m。水力直徑的定義式為

式中：A為流通截面積，Pw為潤濕周長，即過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界線長度。

摻混孔邊界設置為速度入口,進口輻射換熱率為0.8，燃燒室側壁面設為周期性對稱絕熱壁面，其他各壁面為無滑移絕熱壁面。

2 研究方案

設計兩個研究方案，如圖5所示，兩種方案的摻混孔總面積相同，第一排摻混孔距旋流器的距離195 mm，第二排摻混孔距第一排摻混孔的距離為23 mm。方案A的第一排為3個直徑為17 mm的圓形摻混孔，第二排為3個直徑為8 mm的圓形摻混孔，摻混孔排列方式采用雙排對排;方案B的第一排為3個圓形摻混孔，第二排為2個，直徑均為14.6 mm，摻混孔排列方式采用雙排錯排，對兩種方案分別用計算流體力學軟件FLUENT進行數值模擬，得到速度場、溫度場、污染物排放量等性能的規律。

圖5 摻混孔排列方式方案

3 結果分析

3.1 速度場

圖6為以摻混孔為中心的縱截面速度分布云圖。在第一排摻混孔平面，方案A與方案B的速度分布基本相同;在第二排摻混孔平面，由于兩種方案的摻混孔數目不同，導致速度分布有細微的差別。圖7為燃燒室橫截面速度云圖，通過對兩種方案云圖的對比發現，方案B由于摻混孔的錯排排列，中心橫截面只顯示一排孔，導致中心回流區中的兩個對稱渦體積比方案A小，對稱渦的體積大小對中心回流區的穩定性具有重要影響。圖8為燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線。從圖中可以發現，方案A與方案B中的氣體經過兩級值班級旋流器和主燃級旋流器的相互作用，從旋流器出口流出的氣體速度為負值，接著由于中心回流區的回流作用，使氣流速度的值逐漸減小，絕對值逐漸增大，并在中心軸線長度為0.15 m時達到最小值。之后，由于經過摻混孔進入火焰筒的摻混氣與主燃區的高溫燃氣混合，使摻混氣的速度疊加于高溫燃氣的速度矢量上，使得速度大幅度上升，最后在接近燃燒室出口的時候速度上升幅度趨于穩定。通過對兩種方案的對比，發現速度變化規律基本相同，兩種方案的速度分布云圖差別較小，速度曲線幾乎重合，說明摻混孔排列方式的不同對速度分布的影響較小。

流入燃燒室的氣流經過三級旋流器的旋流作用，產生了中心回流區，中心回流區在燃燒室中起到穩定火焰的作用，中心回流區形狀和面積的大小對于燃燒室的穩定工作起到至關重要的作用，圖9為燃燒室中心軸線截面上兩種方案下的回流區形狀示意圖。從圖中可以看出，方案A與方案B的中心回流區寬度分別為0.064 m、0.062 m，長度分別為0.124 m、0.122 m，故方案A中心回流區的面積大于方案B，且方案A中心回流區形狀略為平緩，結合對圖7的分析可以看出，方案A的中心回流區穩定性比方案B好。

圖6 摻混孔中心縱截面速度分布云圖

圖7 燃燒室橫截面速度云圖

圖8 燃燒室沿流程對稱中心軸線速度曲線

圖9 回流區形狀示意圖

3.2 溫度場

溫度分布對于燃燒室的工作效率和壽命具有重要影響，溫度分布較差會使燃燒室工作效率降低，壽命降低。

圖10為摻混孔中心縱截面溫度分布云圖，與速度分布云圖同理。在第一排摻混孔平面，兩種方案溫度分布基本相同;在第二排摻混孔平面，方案B中心軸線處的高溫區面積比方案A略大。圖11為燃燒室橫截面溫度云圖，從圖中可以看出，方案A的溫度云圖中有兩排對稱的缺口，而方案B只有一排，這是由于方案B的摻混孔排列方式為錯排排列，橫截面處只有一排摻混孔，在高溫區的分布方面，兩種方案的高溫區域面積及分布基本相同。圖12表示的是兩種方案下燃燒室溫度沿軸向的變化。在兩種方案中，空氣與燃油混合后，在主燃區發生燃燒反應，溫度急劇上升，在摻混孔前段溫度達到最大值，之后由流經摻混孔的摻混氣與主燃區的高溫燃氣進行摻混，使溫度逐漸下降。其中方案A由于摻混孔排列方式為雙排對排，在燃燒室中心軸線長度為0.2～0.27 m的區域，第二排摻混孔正對軸線，使得摻混效果更好，溫度下降速率比方案B大，在此區域之后，由于兩種方案總摻混面積相同，所以方案B的溫度下降速率逐漸增加，最終使得方案A的燃燒室出口溫度大于方案B。

圖10 摻混孔中心縱截面溫度分布云圖

圖11 燃燒室橫截面溫度云圖

燃燒室出口徑向溫度分布系數(RTDF)如圖13所示。兩種方案中，在燃燒室中心徑向長度為-0.02～0.02 m，方案B的RTDF值比方案A高，說明方案A的燃燒室出口徑向溫度分布比方案B更加均勻,所以方案A的RTDF比方案B表現更好。

出口溫度分布系數(OTDF)是評價出口溫度場品質的重要數據標準[8]。通過模擬計算得出方案A的OTDF為0.272，方案B的OTDF為0.415，方案B的OTDF比方案A高，而OTDF的合理取值范圍為0.25～0.35，方案A滿足取值范圍要求，方案B不滿足，故認為方案A在OTDF方面更為合理。

3.3 污染物排放

兩種方案的燃燒室出口截面NO分布云圖如圖14所示，從云圖中可以看出，方案A的NO排放量大于0.394 mg/m3的面積比方案B小，且高排放量區域集中在中心位置，分布情況比方案B均勻，通過對兩種方案的云圖的對比可以得出，方案A的NO排放量比方案B少，故在污染物NO排放方面，方案A比方案B更為合理。

圖12 燃燒室溫度沿軸向分布圖

圖13 燃燒室出口徑RTDF

圖14 燃燒室出口截面NO分布云圖

4 結論

以中心分級燃燒室為研究對象，在保證摻混孔總面積相同的情況下，設計方案A和方案B兩種摻混孔方案，研究摻混孔排列方式對中心分級燃燒室速度場、溫度場、污染物排放量的影響，得出以下結論。

(1)從速度場來看，方案A與方案B速度分布差異較小，說明摻混孔的排列方式對中心分級燃燒室速度分布的影響較小。在中心回流區方面，兩種方案均產生了中心回流區，但方案A中心回流區較方案B長，形狀更為平坦，穩定性更好。

(2)從溫度場來看，方案A出口溫度比方案B高；在燃燒室出口RTDF方面，方案A的RTDF比方案B小；OTDF方面，方案B的OTDF不在合理取值范圍內，而方案A的OTDF在合理取值范圍。

(3)從污染物排放量來看，方案A的污染物NO排放量比方案B少，方案A更加環保。