俞 駿,劉景源

(南昌航空大學飛行器工程學院,南昌 330063)

0 引言

駐渦燃燒室(TVC)具有燃燒穩(wěn)定性好,燃燒效率高,污染物排放與貧油熄火邊界均低,出口溫度分布均勻性好等特性,是燃燒室研究的重點[1-2]。

Zbeeb等[3]研究了不同燃料組合對鈍體TVC溫度及NOx排放的影響,發(fā)現(xiàn)不同組份的燃料NOx排放含量不同;Song等[4]研究了旋流參數(shù)對TVC性能的影響,發(fā)現(xiàn)在高旋流轉(zhuǎn)速時科氏力是影響凹腔流體流動的主要因素。孫?？〉萚5]對中心鈍體TVC的數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)駐渦穩(wěn)定性好,但燃燒效率不高。

對壁面凹腔TVC需要增進駐渦與主流的摻混,以提高燃燒效率[6]。增強摻混可以在凹腔內(nèi)噴射空氣產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的渦對,利用與主流接觸的渦增進相互作用,但凹腔內(nèi)的空氣速度對火焰穩(wěn)定性具有強烈的影響。在中速范圍內(nèi),由于火焰模式的轉(zhuǎn)變,火焰容易被吹熄[1]。Agarwal等[6]把導流片引入壁面凹腔TVC,利用導流片將部分主流引入凹腔的方法來提高TVC的燃燒效率,實驗表明燃燒效率達到96%以上。徐舟等[7]、王志凱等[8]分別將導流片引入凹腔TVC及鈍體結(jié)構(gòu)TVC并進行研究。

導流片的引入,不但會形成理想的雙渦結(jié)構(gòu),增進主流與凹腔內(nèi)流動相互作用,并且引入導流片導致的壓力損失也在可接受的范圍內(nèi)。但是,無論是對壁面凹腔駐渦還是中間鈍體駐渦燃燒室,引入導流片后研究的幾何外形均為方形截面[1,6-8],而實際的燃燒室絕大多數(shù)是環(huán)形。另外,并未研究導流片與后鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對燃燒室性能的影響。文中則研究導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)及后鈍體參數(shù)對環(huán)形中心鈍體TVC中燃燒室性能的影響,為工程應(yīng)用提供參考。

1 計算模型及數(shù)值方法

1.1 幾何模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

帶導流片環(huán)形旋渦燃燒室由18個圖1所示的模型繞軸線周期陣列而來,燃燒室總長400 mm,內(nèi)徑700 mm,外徑900 mm,前鈍體軸向長度為40 mm,后鈍體軸向長度為20 mm;上下通道徑向的B=20 mm,H2/H1=0.7,L/H1=0.6,導流片厚度為1 mm。

導流片及后鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值參考如表1所示。如圖1所示,c為導流片徑向高度、e為導流片到前鈍體下壁面的距離、b為導流片到前鈍體后壁面的距離、a、S2分別為燃燒室側(cè)壁及后鈍體弧長。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 計算方法及邊界條件

數(shù)值模擬方法詳見文獻[8]。計算時的化學當量比為0.6。燃燒室進口采用速度入口,大小為60 m/s,進口溫度為300 K;燃燒室出口壓力為1個大氣壓。

1.3 算例驗證

選取文獻[1]的外形參數(shù)和計算條件,并將不同主流速度下總壓損失系數(shù)計算與實驗結(jié)果進行了對比。由圖2可見,計算與實驗結(jié)果符合良好,表明文中計算可行。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 c/H1對燃燒室特性的影響

2.1.1 凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

不同c/H1時截面7°時凹腔對應(yīng)的速度及旋渦結(jié)構(gòu)如圖3所示。主流在流過導流片后由于通道截面變大,靠近導流片一側(cè)的主流產(chǎn)生橫向流動,流向凹腔;同時由于受到經(jīng)由導流片進入凹腔的流體的影響,再次改變流向,形成了外側(cè)旋渦;流體在流經(jīng)外側(cè)旋渦的同時,由于粘性作用,在靠近后鈍體處形成內(nèi)側(cè)旋渦,進而凹腔內(nèi)均形成雙渦對。

2.1.2 總壓損失系數(shù)

圖4給出了總壓損失系數(shù)σ隨不同c/H1的變化曲線。σ隨c/H1的增大而增大是由于c/H1越大,凹腔高速流動區(qū)減小,低速流動區(qū)增大導致。

2.1.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

圖5為c/H1=0.1～0.4時,燃燒室出口截面溫度分布。由圖可見,由于導流片產(chǎn)生的外側(cè)渦對加強了主流與凹腔熱流間的傳熱傳質(zhì),使得燃料燃燒更為充分,出口溫度分布變得更均勻。

圖6為不同c/H1對燃燒效率η影響曲線。由圖可見,η隨c/H1的增大而緩慢增加,且都高于97.5%,參考圖3對應(yīng)的凹腔旋渦結(jié)構(gòu)可知,外側(cè)旋渦的變大加強了主流與凹腔間的傳質(zhì)換熱,同時導流片的分流減小了燃氣的集中,使得燃氣能夠充分燃燒。

綜上,當c/H1=0.2時,凹腔旋渦得到充分發(fā)展且燃燒室有較高的η(97.97%)、較低的σ(3.95%)以及較好的出口溫度分布均勻性。因此以下的研究固定c/H1=0.2。

2.2 e/B對燃燒室特性的影響

2.2.1 凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

圖7為不同e/B取值時燃燒室凹腔區(qū)域的速度及旋渦結(jié)構(gòu)圖。由圖可知,1)當e/B≤0.3時,隨著e/B取值的增大,經(jīng)導流片進入凹腔流量增加,凹腔中心高速流動區(qū)增大,對內(nèi)側(cè)渦對的擠壓作用明顯,旋渦逐漸變小。同時由于導流片處主流通道的變窄,使得進入導流片后壁面的主流流速增加,促使整體旋渦區(qū)流速變大,低速區(qū)減小。2)當e/B=0.4時,凹腔中線高速流動區(qū)沒有明顯變化,但導流片徑向變長,使得遮擋能力變強,內(nèi)側(cè)渦對變大,促使內(nèi)外雙渦間物質(zhì)及能量交換加劇,但兩渦之間流速變大,不利于駐渦火焰的傳播。

2.2.2 總壓損失系數(shù)

圖8為不同e/B時對應(yīng)的燃燒室出口σ。隨著e/B的增加,導流片分流作用越明顯,進入凹腔的流量增加,使得導流片對氣流的阻礙作用變大,同時主流流速的變大,增加了氣流的摩擦阻力,使得σ增大。當e/B為0.4時,燃燒室總壓損失系數(shù)達到8%,因此e/B的取值不宜大于0.4。

2.2.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

圖9為不同e/B值時的出口溫度分布。由圖7可見,e/B=0.1時,由于導流片分流作用不明顯,凹腔進氣量較少,燃氣主要集中于主流,使得主流燃氣燃燒不充分,燃燒室出口存在溫度較低的區(qū)域,出口溫度均勻性較低。之后隨著e/B取值的進一步提高,燃燒室燃氣燃燒變得越充分,低溫區(qū)溫度升高,出口溫度均勻性增強。

由上述2.2.1節(jié)的速度及旋渦結(jié)構(gòu)的分析可得,e/B值的增加使得燃燒室燃氣的相對集中性下降,同時旋渦區(qū)流速的變大會使主流與凹腔高溫燃氣摻混加劇,燃燒效率η變大,當e/B為0.4時,η達到99.9%。

綜上,當e/B=0.2時,凹腔旋渦回流區(qū)較大,且流速不高,同時能在總壓損失較低的情況下實現(xiàn)較高的燃燒效率,因此以下研究保持e/B=0.2不變。

2.3 b/L對燃燒室特性的影響

2.3.1 凹腔速度及旋渦結(jié)構(gòu)

圖11分別顯示了不同b/L值下7°凹腔截面的速度及旋渦結(jié)構(gòu)。由圖可知,不同b/L對凹腔的旋渦結(jié)構(gòu)影響較大。b/L=0.1時,凹腔內(nèi)形成較大的兩組對稱旋渦,有利于駐渦穩(wěn)定。b/L=0.2～0.4時凹腔高速流動區(qū)向上下兩側(cè)移動,凹腔軸向由于導流片后移,整體有效寬度減小,致使有效旋渦區(qū)變小,內(nèi)側(cè)渦對渦核向外移動。同時,前鈍體后壁面產(chǎn)生回流區(qū),且該回流區(qū)隨b/L的增大而增大,不利于凹腔穩(wěn)焰。

2.3.2 總壓損失系數(shù)

圖12顯示了燃燒室出口總壓損失系數(shù)σ隨b/L變化。由圖可見,σ先減小后基本不變。參考對應(yīng)流場分布圖11可知,凹腔靠近主流的有效旋渦區(qū)隨b/L的增大而減小,當b/L=0.3、0.4時,受前鈍體后壁面凹腔回流區(qū)迅速變大、局部低速區(qū)增加的影響,使得σ先迅速減小后基本不變。

2.3.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

從圖13可得,燃燒室出口溫度分布隨b/L的增大,上下兩側(cè)出現(xiàn)低溫區(qū),且該低溫區(qū)逐漸變大。參考圖11可知,凹腔有效旋渦區(qū)的不斷變小導致的主流與凹腔間摻混減弱、主流燃燒不充分,是出口溫度分布均勻性降低的主要原因。

圖14為不同b/L時燃燒效率曲線。由圖可見,燃燒效率η隨b/L的增大先快速減小,后下降趨勢有所減緩。分析對應(yīng)b/L值下的旋渦結(jié)構(gòu)及速度云圖(圖11)可知,b/L的增大使得凹腔外側(cè)旋渦與主流的接觸面積減小,同時主流流速下降,使得主流與凹腔高溫燃氣間的摻混減弱,η下降。相比b/L=0.2,b/L=0.3、0.4時凹腔外側(cè)渦對與內(nèi)側(cè)渦對之間流速的提高有利于兩渦間傳質(zhì)及傳熱,減緩主流與凹腔間的摻混下降趨勢,致使η下降減緩。

綜上,與b/L=0.2～0.4相比,b/L=0.1時η要高,出口溫度分布也更均勻,且有效旋渦回流區(qū)大,旋渦低速區(qū)變大。雖總壓損失系數(shù)較高,但也只有3.95%。

2.4 S2/a對燃燒室特性的影響

2.4.1 凹腔速度云圖及旋渦結(jié)構(gòu)

圖15為不同S2/a值時燃燒室的旋渦結(jié)構(gòu)及速度云圖。由圖可見,1)后鈍體后方回流區(qū)隨S2/a取值的增大而增大。這是由于S2/a越大,后鈍體弧長越長,對其后方回流區(qū)的遮擋能力也就越強,致使燃燒室左右兩側(cè)通道氣流對后鈍體后方回流區(qū)的影響減小,回流區(qū)變大。2)不同S2/a取值下燃燒室凹腔旋渦結(jié)構(gòu)及速度分布變化不大,表明后鈍體弧長的變化對凹腔內(nèi)流場影響較小。

2.4.2 總壓損失系數(shù)

圖16給出不同S2/a下燃燒室總壓損失系數(shù)分布。由圖可知,總壓損失系數(shù)隨S2/a的增大而增大。參考圖16可知,S2/a的增大雖對凹腔流場影響較小,但后鈍體后方回流區(qū)受S2/a的影響變化較大。

2.4.3 出口截面溫度分布及燃燒效率

圖17為不同S2/a取值時燃燒室出口溫度分布。由圖可知,隨著S2/a取值的增大,燃燒室出口低溫區(qū)逐漸減小,但總體溫度分布變化不大,這是因為S2/a取值增大時,由于后鈍體遮擋,回流區(qū)變大,故出口低溫區(qū)隨S2/a取值增大而減小。

回流區(qū)變大雖然導致燃燒室總壓損失系數(shù)增大,但有利于后鈍體后方主燃區(qū)的燃燒,故燃燒效率變大,如圖18所示。

綜上,S2/a取值的增大會使燃燒效率增大、出口溫度均勻性提高,但會導致燃燒室重量增加。

4 結(jié)論

文中對不同導流片結(jié)構(gòu)參數(shù)及后鈍體弧長下的三維環(huán)形TVC進行了數(shù)值模擬,并分析了燃燒室流動及燃燒的性能。主要結(jié)論如下:

1)隨著c/H1取值的增大,燃燒效率、出口溫度分布均勻性逐漸提高,但總壓損失系數(shù)變大。

2)相比于c/H1,e/B對三維環(huán)形TVC的性能影響較大:e/B=0.4時燃燒效率達到最大(99.9%),e/B=0.1時,總壓損失系數(shù)最小(2.56%)。

3)b/L的增大使得凹腔雙渦對、總壓損失系數(shù)減小,出口溫度分布均勻性及燃燒效率降低。

4)較大的S2/a有利于提高燃燒效率、改善出口溫度分布。

5)導流片參數(shù)在c/H1=0.2、e/B=0.2、b/L=0.1時三維環(huán)形AVC綜合性能最好:凹腔旋渦較大、燃燒效率較高(97.97%),總壓損失系數(shù)較低(3.95%)以及出口溫度分布較為均勻。