先進旋渦燃燒室鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的數(shù)值分析*

孫?？。啃?，徐義華

(南昌航空大學飛行器工程學院，南昌 330063)

0 引言

穩(wěn)定的燃燒火焰和較高的燃燒效率是燃燒室結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的主要目標，也是沖壓發(fā)動機研究所需要解決的關鍵問題。美國的Ramgen公司在駐渦燃燒室[1](TVC，trapped vortex combustor)的研究基礎上，提出了先進旋渦燃燒室[2](AVC，advanced vortex combustor)的概念。AVC是在燃燒室內(nèi)布置前后兩個獨立的鈍體，當來流經(jīng)過前鈍體時，在前后鈍體之間的凹腔處形成穩(wěn)定的旋渦結(jié)構(gòu)，為燃燒室充當穩(wěn)定的點火源;另一方面，穩(wěn)定旋渦的存在不僅可以有效地降低燃燒室的總壓損失和污染物的排放，還可以極大的提高燃燒效率[3]。然而旋渦的穩(wěn)定和燃燒流動特性的優(yōu)劣主要取決于前后鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配關系。文獻[4－5]等依據(jù) Mair[6]得出的 TVC 穩(wěn)定駐渦條件的結(jié)構(gòu)關系式對AVC內(nèi)鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置進行了研究。雖然AVC和TVC在結(jié)構(gòu)上有相似之處，但仍需要區(qū)別對待。

因此，對不同鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)影響下的燃燒室流場進行數(shù)值模擬研究，以確定前后鈍體各參數(shù)間的最佳匹配關系，為進一步深入研究提供理論依據(jù)。

1 物理模型與結(jié)構(gòu)參數(shù)

AVC物理模型如圖1所示，鈍體布置方式不同于文獻[7－8]之處在于將鈍體前壁面直接與通道齊平，將原來的大通道進氣口變成上下兩個小通道進氣口。燃燒室通道尺寸為360mm×100mm×100mm，前后鈍體寬度為100mm，鈍體的高和長以及兩鈍體間距S之間的匹配關系是文中研究的重點。

數(shù)值模擬采用不可壓N-S方程，湍流模型為realizable k-ε模型，近壁面采用壁面函數(shù)法。計算時入口區(qū)域延長，燃燒室進出口邊界條件分別為速度入口與壓力出口。

圖1 AVC物理模型

研究參數(shù):

1)進口速度V=100m/s。

2)前鈍體高 H1=50mm，60mm，70mm。

3)后鈍體高為 H2，H2/H1=0.5，0.6，0.7。

4)凹腔長為 S，S/H1=0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2。

5)前鈍體長L1=40mm，50mm，60mm;后鈍體長L2，L2/L1=0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0。

研究H1、H2與S之間的關系時，L1=40mm，L2=20mm。

2 研究結(jié)果分析

2.1 兩種鈍體布置方式的比較分析

總壓損失系數(shù)定義為:

模型Ⅰ(見圖1)為所要研究的鈍體布置方式，模型Ⅱ為文獻[7－8]中的布置方式。在相同工況下對兩種模型進行數(shù)值模擬，其靜壓分布如圖2～圖3所示。

圖2 模型Ⅰ靜壓分布圖

總壓損失計算結(jié)果表明，模型Ⅰ的總壓損失系數(shù)為1.62%，模型Ⅱ總壓損失系數(shù)為24.3%。可見，模型Ⅰ的總壓損失較模型Ⅱ小很多。模型Ⅱ的總壓損失主要來源于兩方面，一是凹腔處形成的低壓槽;二是當主氣流流經(jīng)前鈍體時，由于前鈍體阻擋，在前鈍體上下面上發(fā)生了擾流，從而形成局部低壓槽(見圖3)，局部低壓槽的存在不可避免增大了總壓損失。模型Ⅰ相對模型Ⅱ具有總壓損失小的明顯優(yōu)勢，并且在燃燒室總長一定時，模型Ⅰ有較長的流動發(fā)展區(qū)，有利于尾跡的充分發(fā)展。

圖3 模型Ⅱ靜壓分布圖

下文對鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)與流動性能關系的研究均基于模型Ⅰ的鈍體布置方式。

2.2 鈍體高度、間距對總壓損失的影響

前鈍體高度H1為50mm、60mm、70mm時，H2/H1、S/H1與總壓損失系數(shù)之間的關系如圖4～圖6所示。

隨H2/H1增大，圖中曲線呈現(xiàn)出兩條規(guī)律:1)曲線先降后升，即每一個H2/H1都存在一個S/H1使得總壓損失最小;2)曲線最小值點左移，即最小總壓損失對應的S/H1隨之減小。

圖4 H1=50mm時，S/H1與δ*間的關系曲線

圖5 H1=60mm時，S/H1與δ*間的關系曲線

圖6 H1=70mm時，S/H1與δ*間的關系曲線

每條曲線的最小值點所對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)當量比如表1所示。分析表1數(shù)據(jù)可知，隨前鈍體高度增加，相同的H2/H1、S/H1無量綱條件下，曲線最小值也隨之增大(總壓損失系數(shù)增大)。當H1=60mm和70mm時，最小值點所對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)關系均為H2/H1=0.7、S/H1=0.6，H1=50mm 時對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)為H2/H1=0.6、S/H1=0.6，并不滿足TVC 穩(wěn)定駐渦形成結(jié)構(gòu)關系式[6]，故AVC結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇不能完全照搬TVC模式。

為探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的影響機理，以表1中第二組結(jié)構(gòu)參數(shù)為例，對凹腔內(nèi)旋渦流場進行分析，其速度矢量分布如圖7～圖10所示。由圖可見，凹腔內(nèi)均能形成正向分布的對稱旋渦。圖7因凹腔長度與后鈍體高度之比較大，致使旋渦被拉長，渦心偏離凹腔并超出后鈍體邊界，有效旋渦區(qū)變窄;另在后鈍體前壁處形成了一對小尺度反向旋渦，與正向渦在邊界層有剪切相互作用，從而削弱了大尺度渦的穩(wěn)定發(fā)展勢力，并形成低壓槽，增大總壓損失。隨后鈍體高度的增加和凹腔長度的縮短，反向渦逐漸消失，大尺度渦中心隨之向凹腔內(nèi)遷移，旋渦趨于穩(wěn)定(見圖9);而當凹腔長度與后鈍體高度之比較小時(見圖10)，旋渦被完全擠壓在凹腔內(nèi)，得不到充分的發(fā)展，無益于穩(wěn)定旋渦和降低總壓損失。

表1 最小總壓損失系數(shù)對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖7 H2/H1=0.5(L/H1=0.8)

圖8 H2/H1=0.6(S/H1=0.7)

圖9 H2/H1=0.7(S/H1=0.6)

圖10 H2/H1=0.8(S/H1=0.4)

后鈍體高度以及凹腔長度對旋渦穩(wěn)定和總壓損失的影響相對較大，由上述分析可知，H1=60mm時H2/H1=0.7、S/H1=0.6 的結(jié)構(gòu)關系對穩(wěn)定旋渦和減小總壓損失具有較好的效果。

H1=50mm時，該組曲線的最小值點所對應的結(jié)構(gòu)關系式為 H2/H1=0.6、S/H1=0.5，且總壓損失為三組數(shù)據(jù)中最小。三組數(shù)據(jù)中各最小總壓損失所對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)下的流場靜壓分布如圖11～圖13所示。由圖可見，凹腔處均形成了對稱分布的低壓槽，且發(fā)展較為充分，有助于旋渦的穩(wěn)定。相比之下，結(jié)構(gòu)參數(shù)為H1=50mm，H2/H1=0.6，S/H1=0.5 時(見圖11)，低壓槽中心脫離后鈍體阻擋區(qū)域，使旋渦容易受主氣流影響，不能穩(wěn)定在凹腔范圍內(nèi)，而其余兩組結(jié)構(gòu)參數(shù)下的低壓槽中心均在鈍體阻擋范圍內(nèi)，具有很好的穩(wěn)定旋渦作用。

圖11 H1=50mm靜壓圖

圖12 H1=60mm靜壓圖

圖13 H1=70mm靜壓圖

由此可見，雖然第一組結(jié)構(gòu)參數(shù)(H1=50mm時)下的總壓損失最小，但由于其低壓槽中心向邊偏移，在穩(wěn)定旋渦方面并不十分理想;二、三組在穩(wěn)定旋渦方面并無太大差異，但第二組參數(shù)下的總壓損失較第三組小，即第二組結(jié)構(gòu)下的燃燒室綜合了旋渦穩(wěn)定和總壓損失較小等優(yōu)點，其對應的結(jié)構(gòu)關系式H2/H1=0.7、S/H1=0.6應為理想的參數(shù)匹配關系式。

2.3 鈍體長度對壓力損失的影響

圖14 L2/L1與δ*間的關系曲線

圖14 所示。從圖可知，隨前后鈍體長度的增加，總壓損失系數(shù)均隨之增大，但幅度變化不大。這在于鈍體長度的增加，縮短了鈍體后的流動發(fā)展區(qū)，使湍流流動發(fā)展不充分，從而增大總壓損失;保證湍流流動的充分發(fā)展，有助于降低總壓損失。而鈍體長度的選擇并非越小越好，由于駐渦燃燒室內(nèi)燃料注入通常采用壁面射流方式，所以還應考慮噴孔布置等因素。

綜合來看，相比鈍體高度和凹腔長度，鈍體長度對總壓損失的影響要小，在確定鈍體長度時，應結(jié)合總壓損失、湍流流動發(fā)展以及燃料射流孔布置等因素共同考慮。

基于相對最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)關系(H1=60mm、H2/H1=0.7、S/H1=0.6)，取前鈍體長度分別為 30mm、40mm、50mm時，總壓損失系數(shù)與鈍體長度的關系如

3 結(jié)論

對鈍體布置方式和鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)影響下的先進旋渦燃燒室流場的數(shù)值模擬結(jié)果表明:

1)燃燒室模型Ⅰ中鈍體布置方式具有較好的流動特性，且前后鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)當量為H1/H2=0.7、S/H1=0.6時，凹腔內(nèi)旋渦最為穩(wěn)定對稱，且燃燒室總壓損失也較小;

2)AVC結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇不能完全照搬TVC穩(wěn)定駐渦形成結(jié)構(gòu)關系式，需要區(qū)別對待;

3)增大鈍體長度會相應增大燃燒室總壓損失，確定鈍體長度時，應綜合考慮總壓損失、湍流流動發(fā)展以及燃料噴孔布置等因素。

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