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主燃區(qū)出口特征影響出口溫度場(chǎng)性能的數(shù)值研究

2012-09-28 09:39丁國(guó)玉何小民吳澤俊葛佳偉
航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2012年4期
關(guān)鍵詞:線型余弦燃燒室

丁國(guó)玉,何小民,金 義,吳澤俊,葛佳偉

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

0 引言

21世紀(jì)初期,為了滿足未來的軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)熱力性能要求,常規(guī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室發(fā)展到第4代,并向著高推重比方向發(fā)展。高推重比燃燒室要求具有較大的溫升,因而也稱為高溫升燃燒室。燃燒室出口溫度越來越高,其最高出口溫度隨推重比的提高而不斷增大。隨著渦輪進(jìn)口溫度的提高,允許的熱點(diǎn)最大溫度偏差及燃燒室出口溫度分布對(duì)理想溫度分布的偏離值并沒有變化,這樣對(duì)燃燒室出口溫度分布的要求就更高。渦輪進(jìn)口燃?xì)馄骄鶑较驕囟绕x理想溫度分布,會(huì)明顯影響到渦輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命。對(duì)于高推重比燃燒室來說,如果仍維持與現(xiàn)在溫度水平相當(dāng)?shù)某隹跍囟确植枷禂?shù),則其局部最高溫度將會(huì)大幅度升高。按照出口溫度分布系數(shù)為0.25計(jì)算,推重比為20的燃燒室最高出口溫度將達(dá)到2670 K,熱點(diǎn)溫度比平均溫度高300 K[1-6],很難保證渦輪在如此高的出口溫度下正常工作。因此,更加均勻的燃燒室出口溫度分布顯得尤其重要。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中,油霧蒸發(fā)、擴(kuò)散摻合的速度和濃度,決定于局部流速,即“速度場(chǎng)”決定“濃度場(chǎng)”;分子碰撞、燃燒放熱的速度和數(shù)量,決定于局部溫度、壓力及燃料濃度,即“濃度場(chǎng)”決定“溫度場(chǎng)”;按此觀點(diǎn),主燃區(qū)的速度場(chǎng)決定火焰筒出口溫度場(chǎng)[7]??梢?,主燃區(qū)出口速度分布和溫度分布直接影響燃燒室出口溫度分布質(zhì)量,尤其影響燃燒室出口溫度場(chǎng)熱點(diǎn)形成。因此,開展主燃區(qū)出口特征影響出口溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究,并掌握相應(yīng)的變化規(guī)律是具有實(shí)際意義。

本文采用數(shù)值方法對(duì)燃燒室主燃區(qū)出口至燃燒室出口之間的流通區(qū)域進(jìn)行研究,對(duì)不同主燃區(qū)出口特征下的速度分布和溫度分布進(jìn)行模擬,以掌握相應(yīng)的變化規(guī)律,為掌握溫度場(chǎng)調(diào)控技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 研究模型、方法和內(nèi)容

1.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

本文的研究對(duì)象來源于某型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)形燃燒室,共有24個(gè)頭部,環(huán)形燃燒室單頭部如圖1所示。將主燃區(qū)出口至燃燒室出口之間的部分作為本文的研究對(duì)象。但本研究涉及的燃燒室結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜,直接對(duì)全環(huán)進(jìn)行研究計(jì)算量極大,實(shí)現(xiàn)起來較為困難。因此僅對(duì)燃燒室的1個(gè)頭部進(jìn)行1∶1研究,不做模型上的簡(jiǎn)化,研究對(duì)象的幾何模型如圖2所示。

利用ICEM-CFD軟件對(duì)所建立的3維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于研究對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不規(guī)則區(qū)域較多,生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較為困難,因此選取適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,生成4面體網(wǎng)格總數(shù)為1142055個(gè),3維網(wǎng)格如圖3所示。

圖1 環(huán)形燃燒室單頭部

圖2 研究對(duì)象的幾何模型

圖3 研究對(duì)象3維網(wǎng)格

1.2 研究方法

采用FLUENT6.3計(jì)算軟件對(duì)劃分好網(wǎng)格的流通區(qū)域開展數(shù)值模擬[8-12],研究對(duì)象的進(jìn)出口分布如圖4所示,數(shù)值模擬過程中模型進(jìn)口采用速度進(jìn)口,以保證與原燃燒室單頭部模型主燃區(qū)出口位置上質(zhì)量守恒和能量守恒為原則,計(jì)算出相應(yīng)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)(主燃區(qū)出口特征),然后采用C語言編程和運(yùn)用FLUENT中用戶自定義函數(shù)(UDF),設(shè)定可以進(jìn)行數(shù)值模擬的邊界條件,基本方法為:湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型;近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);輻射模型采用DO模型;對(duì)所截取的燃燒室扇形段的兩側(cè)截面設(shè)置為周期性邊界條件;固體壁面考慮材料輻射,設(shè)定內(nèi)部發(fā)射率為0.8。

圖4 研究對(duì)象的進(jìn)出口分布

1.3 研究?jī)?nèi)容

對(duì)不同主燃區(qū)出口特征下的速度分布和溫度分布進(jìn)行模擬,涉及到4種速度分布和3種基準(zhǔn)的溫度分布。速度分布包括余弦型、折線型、拋物線型、均值型;基準(zhǔn)的溫度分布包括拋物線型、折線型、均值型,并考察了以此溫度分布為基準(zhǔn),最高溫度點(diǎn)突升100、200 K以及最高溫度點(diǎn)上下移動(dòng)的情況。這樣,不同的速度分布和溫度分布組成不同的主燃區(qū)出口特征,對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)口邊界條件,共計(jì)算了42個(gè)算例。速度分布和基準(zhǔn)的溫度分布如圖5、6所示,各種基準(zhǔn)的組合見表1。

圖5 主燃區(qū)出口速度分布沿通道高度的分布

圖6 主燃區(qū)出口溫度分布沿通道高度的分布

表1 基準(zhǔn)的速度分布和溫度分布的組合

2 研究結(jié)果及分析

2.1 主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的影響

為了分析主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的影響,分別考察了某一速度分布與3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)燃燒室出口溫度場(chǎng)的影響,以下是各速度分布與3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的燃燒室出口溫度場(chǎng)。

(1)在由均值型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖7所示。

從圖7中可見,由不同主燃區(qū)出口溫度分布得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)的最高溫度均為1500 K,冷區(qū)和熱區(qū)的所在位置大體一致,不同的是均值型溫度分布對(duì)應(yīng)的燃燒室出口溫度場(chǎng)的最低溫度比另外2種情況下的高,約高300 K,且熱區(qū)面積也較大;由此可見,在均勻主燃區(qū)出口速度分布下,均勻主燃區(qū)出口溫度分布可使燃燒室出口溫度場(chǎng)更均勻。

(2)在由余弦型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖8所示。

圖8 在余弦型速度分布下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)

從圖8中可見,在由余弦型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下,得到的出口溫度場(chǎng)冷、熱區(qū)分布位置大體一致,且出口溫度分布基本沿扇面中線對(duì)稱,分析認(rèn)為這主要是內(nèi)外環(huán)面的2排摻混孔對(duì)稱布置造成的。

(3)在由折線型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖9所示。

圖9 在折線型速度分布下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)

從圖9中可見,在由折線型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的出口溫度場(chǎng)與余弦型主燃區(qū)出口速度分布對(duì)應(yīng)的出口溫度場(chǎng)滿足相同的規(guī)律。

(4)在由拋物線型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)如圖10所示。

圖10 在拋物線型速度分布下得到的燃燒室出口溫度場(chǎng)

通過在對(duì)余弦型、折線型和拋物線型速度分布與3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下得到的出口溫度場(chǎng)的分析,發(fā)現(xiàn)出口溫度場(chǎng)冷、熱區(qū)分布位置大體一致??梢姄交炜椎牟贾每梢院芎玫馗纳瞥隹跍囟葓?chǎng)分布,使冷、熱區(qū)的分布大體符合渦輪設(shè)計(jì)的要求。

將圖7~10綜合比較發(fā)現(xiàn),在均值型速度分布和3種溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征下,得到的出口溫度場(chǎng)與其他速度分布對(duì)應(yīng)的出口溫度場(chǎng)差別較大:在中部熱區(qū)向外涵移動(dòng),而在扇面分界處的熱區(qū)向內(nèi)涵移動(dòng),且熱區(qū)面積顯著增大。分析認(rèn)為,主燃區(qū)出口余弦型、折線型和拋物線型速度分布都是不均勻速度分布,不同位置燃?xì)獾乃俣炔罴訌?qiáng)了湍流流動(dòng),能更好地進(jìn)行能量交換,而均勻型主燃區(qū)出口速度分布不能達(dá)到這種效果。

(5)θTo和θTr在某一主燃區(qū)出口溫度分布下隨主燃區(qū)出口速度分布的變化規(guī)律分別如圖11、12所示。其中Y、Z、P、J分別表示余弦型、折線型、拋物線型和均值型速度分布。

從圖11、12中可見,主燃區(qū)出口溫度分布不變時(shí),在拋物線型主燃區(qū)出口速度分布條件下得到的出口溫度場(chǎng)最好;在各種主燃區(qū)出口速度分布下,主燃區(qū)出口折線型溫度分布對(duì)應(yīng)的To和Tr都小于拋物線型溫度分布對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

圖11 不同主燃區(qū)出口特征下的To

圖12 不同主燃區(qū)出口特征下的Tr

2.2 主燃區(qū)出口溫度分布最高溫度變化對(duì)出口溫度場(chǎng)的影響分析

將主燃區(qū)出口余弦型、折線型和拋物線型速度分布條件下的拋物線型和折線型溫度分布設(shè)定為參考溫度場(chǎng),然后對(duì)2種主燃區(qū)出口參考溫度分布或升高最高溫度,或上下移動(dòng)最高溫度點(diǎn),以分析主燃區(qū)出口最高溫度的變化對(duì)燃燒室出口溫度分布的影響。

(1)余弦型速度分布和各種情況的溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的To和Tr曲線分別如圖13、14所示。其中,橫坐標(biāo)為各種情況下的主燃區(qū)出口溫度分布:a表示參考溫度分布,b、c分別表示最高溫度升高100、200 K的溫度分布,d、e分別表示最高溫度點(diǎn)下移或上移0.01 m的溫度分布,f表示最高溫度點(diǎn)上移0.02 m的溫度分布。

在各種主燃區(qū)出口溫度場(chǎng)情況下,折線型溫度分布對(duì)應(yīng)的To和Tr始終小于拋物線型溫度分布對(duì)應(yīng)的數(shù)值;主燃區(qū)出口最高溫度升高及升高的幅度對(duì)To和Tr影響不大;主燃區(qū)最高溫度靠近內(nèi)、外涵時(shí),To和Tr都會(huì)增大,且靠近外涵時(shí)的To和Tr比靠近內(nèi)涵時(shí)增大得快。

圖13 余弦型速度分布下的To

圖14 余弦型速度分布下的Tr

各種主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的出口溫度分布也大致符合上述規(guī)律,在此不作贅述,分別如圖15~18所示。

(2)折線型速度分布和各種情況的溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的To和Tr曲線分別如圖15、16所示。

圖16 折線型速度分布下的Tr

(3)拋物線型速度分布和各種情況的溫度分布組成的主燃區(qū)出口特征對(duì)應(yīng)的To和Tr曲線分別如圖17、18 所示。

圖17 拋物線型速度分布下的To

圖18 拋物線型速度分布下的Tr

3 結(jié)論

通過對(duì)不同主燃區(qū)出口特征下流通區(qū)域的速度分布和溫度分布進(jìn)行模擬,得到一系列燃燒室出口溫度場(chǎng),通過對(duì)這些溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)在均勻的主燃區(qū)出口速度分布下,均勻的主燃區(qū)出口溫度分布可使燃燒室出口溫度場(chǎng)更均勻;

(2)主燃區(qū)出口溫度分布不變時(shí),各種主燃區(qū)出口速度分布模擬得到的To和Tr數(shù)值中,折線型的較大(To超出上限),均值型的與之相近,余弦型的次之,拋物線型的最小,即在拋物線型主燃區(qū)出口速度分布條件下得到的出口溫度場(chǎng)最好;主燃區(qū)出口速度分布不變時(shí),折線型主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)應(yīng)的To和Tr一般略小于拋物線型主燃區(qū)出口溫度分布對(duì)應(yīng)的數(shù)值;

(3)主燃區(qū)出口溫度分布輪廓和速度分布不變時(shí),主燃區(qū)出口最高溫度突升對(duì)To和Tr的影響很小,且溫升幅度對(duì)To和Tr影響甚微;主燃區(qū)出口速度分布不變,而主燃區(qū)出口溫度最高點(diǎn)向內(nèi)、外涵靠近時(shí),To和Tr都會(huì)迅速增大,且靠近外涵時(shí)比靠近內(nèi)涵時(shí)增大得快,這對(duì)燃燒室出口溫度分布是相當(dāng)不利的。

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