田佳瑩,曾卓雄,徐義華,薛 鋒,郭譯群,袁 琨

(1 北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京 100074;2 南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院,南昌 330063;3 上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090;4 91467部隊(duì),山東膠州 266300;5 海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島 266041;6 91395部隊(duì),北京 102400)

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雙凹腔AVC冷態(tài)流動(dòng)特性研究

田佳瑩1,2,曾卓雄3,徐義華2,薛 鋒4,郭譯群5,袁 琨6

(1 北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京 100074;2 南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院,南昌 330063;3 上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090;4 91467部隊(duì),山東膠州 266300;5 海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島 266041;6 91395部隊(duì),北京 102400)

為探究第三鈍體對(duì)雙凹腔先進(jìn)旋渦燃燒室內(nèi)部冷態(tài)流動(dòng)特性的影響,通過(guò)數(shù)值模擬其冷態(tài)流場(chǎng),研究了不同鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒室總壓損失及旋渦結(jié)構(gòu)的影響;在已有的最佳兩鈍體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加第三鈍體，采用改變來(lái)流條件的方法，研究了流速度對(duì)旋渦燃燒室流動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明，第三鈍體的幾何尺寸及來(lái)流速度變化對(duì)燃燒室內(nèi)部的流場(chǎng)影響顯著。

先進(jìn)旋渦燃燒室;雙凹腔;冷態(tài)流動(dòng)特性;數(shù)值模擬

0 引言

先進(jìn)旋渦燃燒室(advanced vortex combustor,AVC)是美國(guó)Ramgen公司用于其研發(fā)的旋轉(zhuǎn)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的核心燃燒技術(shù),是一種新型概念燃燒室[1]。AVC具有燃燒效率高和污染物排放低等特點(diǎn)[5-7]。文獻(xiàn)[2-4,8]利用Fluent數(shù)值模擬對(duì)AVC進(jìn)行了研究,對(duì)后鈍體無(wú)量綱寬度和前后鈍體無(wú)量綱距離分別作了冷、熱態(tài)數(shù)值模擬,并對(duì)其總壓損失和流動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

文中采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)AVC進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過(guò)分析不同工況下AVC內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)，借鑒雙腔駐渦燃燒室的設(shè)計(jì)思路，在雙鈍體燃燒室的基礎(chǔ)上，在第二級(jí)鈍體后再增加一個(gè)鈍體，形成三鈍體雙凹腔AVC，第二級(jí)凹腔具有駐渦穩(wěn)焰以及補(bǔ)充燃燒的作用，提高燃燒效率。文中采用三維數(shù)值計(jì)算方法對(duì)雙凹腔AVC燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)穩(wěn)焰性能進(jìn)行初步研究，為后續(xù)熱態(tài)性能研究提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型及方法

1.1 物理模型與結(jié)構(gòu)參數(shù)

文中研究的AVC的幾何模型如圖1所示,前后鈍體與燃燒室同軸同中心線布置，其中燃燒室全通道尺寸為400 mm×100 mm×100 mm,第一鈍體尺寸為60 mm×100 mm×60 mm,第二個(gè)鈍體尺寸為20 mm×100 mm×42 mm,第一個(gè)凹腔長(zhǎng)度為36 mm。

1.2 邊界條件

數(shù)值模擬采用不可壓N-S方程,湍流模型為realizablek-ε模型,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法,邊界條件采用速度入口、壓力出口。

圖1 后鈍體開(kāi)口AVC結(jié)構(gòu)模型

研究參數(shù):

1)進(jìn)口速度V=30 m/s;

2)第三鈍體高為H3,H3/H2=0.8,0.9,1.0,1.1,1.2;

3)第二凹腔長(zhǎng)度為S2,S2/S1=0.8,0.9,1.0,1.1,1.2;

4)第三鈍體厚度為L(zhǎng)3,L3/L2=0.25,0.5,0.75,1.0,1.25。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 鈍體布置方式對(duì)比

定義冷態(tài)條件下燃燒室的總壓損失為:

表1 雙凹腔AVC結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)

2.2 第三鈍體間距、高度、厚度對(duì)總壓損失的影響

第二鈍體高度H2=42 mm時(shí),H3/H2與總壓系數(shù)的關(guān)系如圖2所示,隨著H3/H2的增大,圖中曲線呈現(xiàn)出隨著H3/H2增大,凹腔總壓損失隨之增大。

圖2 第三鈍體高度H3/H2與δ*間關(guān)系曲線

圖3為第三鈍體高度改變時(shí),燃燒室Z=0 mm中心截面上3組速度流場(chǎng)分布圖。H3/H2=0.8截面上,第一凹腔形成一對(duì)旋渦,但旋渦結(jié)構(gòu)一大一小,存在擠壓趨勢(shì);第二凹腔內(nèi)形成一較大的旋渦,在凹腔下部,還有一未形成趨勢(shì)的旋渦。H3/H2=1.0截面上,第一凹腔內(nèi)仍然存在一對(duì)一大一小結(jié)構(gòu)的旋渦且存在擠壓趨勢(shì);第二凹腔內(nèi)形成了一對(duì)不對(duì)稱的旋渦結(jié)構(gòu),居上的渦有流體流入居下的渦,且有擠壓趨勢(shì)。

H3/H2=1.2時(shí),第一凹腔形成了一對(duì)近似對(duì)稱的旋渦,但在居上的渦附近形成了一個(gè)小渦,渦系結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)化,但不利于渦的穩(wěn)定。

圖3 不同鈍體高度下中心截面的流場(chǎng)分布圖

綜合以上計(jì)算工況可知，第三鈍體后均形成了旋渦對(duì)。當(dāng)?shù)谌g體高度變化時(shí)，回流區(qū)的長(zhǎng)度發(fā)生顯著變化。高度越大，第三鈍體后旋渦尺度越大，回流區(qū)卷吸能力越強(qiáng)，寬度越大，同時(shí)燃燒室的流通能力越差。

圖4 第二凹腔長(zhǎng)度S2/S1與δ*間關(guān)系曲線

鈍體間距,即凹腔長(zhǎng)度S1=36 mm時(shí),S2/S1與總壓損失系數(shù)的關(guān)系如圖4所示,隨著S2/S1的增大,圖中曲線呈現(xiàn)先降后升,存在一個(gè)S2/S1使得總壓損失最小。

圖5為不同的第二凹腔間距的計(jì)算結(jié)果在中心截面上流場(chǎng)流線對(duì)比。

可以看出,S2/S1=0.8截面上,第一凹腔形成一對(duì)旋渦,但旋渦一大一小,有擠壓趨勢(shì)。第二凹腔無(wú)法形成穩(wěn)定的旋渦對(duì),且旋渦下部有明顯的流體流入和擠壓現(xiàn)象,不利于旋渦穩(wěn)定;S2/S1=1.0截面上,第一凹腔出現(xiàn)3個(gè)旋渦,旋渦結(jié)構(gòu)較之前存在較大變化。第二凹腔旋渦仍然存在擠壓現(xiàn)象;S2/S1=1.2截面上,第一凹腔內(nèi)仍然形成3個(gè)旋渦,中心偏左的旋渦相對(duì)尺度較小。第二凹腔內(nèi)呈現(xiàn)一對(duì)旋渦,但是下部旋渦結(jié)構(gòu)相對(duì)單薄,較之前面旋渦有所改善。

圖5 不同凹腔間距下中心截面的流場(chǎng)分布圖

綜合考慮第一、二凹腔的分布情況,認(rèn)為,凹腔長(zhǎng)度不同時(shí),第三鈍體后方均能形成回流區(qū),且結(jié)構(gòu)分布大致相同,對(duì)比圖中總壓損失的變化曲線,表明第二凹腔長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)的影響不大。

圖6 第三鈍體厚度L3/L2與δ*間關(guān)系曲線

鈍體高度L2=20 mm時(shí),給出鈍體厚度L3/L2與總壓系數(shù)的關(guān)系如圖6所示,隨著L3/L2的增大,圖中曲線呈下降趨勢(shì),凹腔總壓損失隨之減小。

圖7為第三鈍體不同厚度的燃燒室構(gòu)型計(jì)算結(jié)果在中心截面流場(chǎng)流線對(duì)比。

圖7 不同鈍體厚度下中心截面的流場(chǎng)分布圖

由圖7可知,改變第三鈍體的厚度,第三鈍體后的流場(chǎng)變化并不明顯。兩級(jí)凹腔內(nèi)均形成一對(duì)較大尺度旋渦，第一級(jí)凹腔內(nèi)上側(cè)旋渦卷吸下側(cè)的旋渦氣流；而第二級(jí)凹腔內(nèi)部分氣流則從上側(cè)的旋渦卷入下側(cè)的旋渦。第三鈍體后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨著第三鈍體厚度的變化相對(duì)明顯。隨著第三鈍體的厚度的增大，第三鈍體后回流區(qū)的長(zhǎng)度有縮短的趨勢(shì)。

2.3 來(lái)流速度對(duì)AVC的影響

由于鈍體的設(shè)置,使得凹腔中的火焰能夠穩(wěn)定燃燒,但是來(lái)流速度發(fā)生變化,燃燒室的總壓損失也會(huì)受到影響。來(lái)流速度太小,可能導(dǎo)致湍流發(fā)展不充分;而來(lái)流速度太大,會(huì)加劇摩擦,增加總壓損失。因此,亟需分析不同來(lái)流速度對(duì)燃燒室流場(chǎng)的影響。

表2 不同來(lái)流速度與總壓損失

依次設(shè)定不同來(lái)流速度,對(duì)凹腔內(nèi)旋渦流場(chǎng)進(jìn)行分析,其燃燒室總壓損失隨來(lái)流速度變化曲線如圖8所示。

圖8 不同來(lái)流速度與δ*間關(guān)系曲線

由圖8可見(jiàn),總壓隨時(shí)隨來(lái)流速度增大而增大,且增幅大于來(lái)流速度的增幅。

圖9為不同來(lái)流速度下燃燒室中心截面流場(chǎng)的流線圖。如圖所示,當(dāng)來(lái)流速度改變時(shí),燃燒室中心截面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化劇烈。

圖9 不同來(lái)流速度下中心截面的流場(chǎng)分布圖

不同來(lái)流速度下第一凹腔均有旋渦形成,且在V=40 m/s時(shí),居下的旋渦演化成兩個(gè)小尺度渦,將不利于凹腔內(nèi)旋渦的穩(wěn)定性;而第二凹腔內(nèi)都形成了一對(duì)不對(duì)稱的渦,居上的渦有流體流入居下的渦,但不對(duì)稱性隨來(lái)流速度變化略有差異。

V=10 m/s和V=30 m/s時(shí),第三鈍體后方形成的回流區(qū)長(zhǎng)度基本一致,且回流渦對(duì)稱性較好;而V=40 m/s時(shí)回流渦非對(duì)稱性較強(qiáng)。

3 結(jié)論

1)引入第三鈍體改變鈍體幾何結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響比較明顯。

2)AVC總壓損失隨來(lái)流速度的增大而增大且變化趨勢(shì)明顯。

3)三鈍體AVC引起的總壓損失較小,流場(chǎng)穩(wěn)定,

產(chǎn)生的第二個(gè)凹腔剛好位于雙鈍體AVC的回流區(qū),使回流產(chǎn)生駐渦穩(wěn)焰,同時(shí)將經(jīng)過(guò)第一個(gè)凹腔的燃?xì)膺M(jìn)一步燃燒,有利于提高燃燒效率。

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Research of the Flow Chracteristics of Cold State Flow of Double CavitiesAdvanced Vortex Combustor

TIAN Jiaying1,2,ZENG Zhuoxiong3,XU Yihua2,XUE Feng4,GUO Yiqun5,YUAN Kun6

(1 Beijing Power Machinery Institute, Beijing 100074, China; 2 School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 3 College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 4 No.91467 Unit, Shandong Jiaozhou 266300, China; 5 Qingdao Campus, Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Qingdao 266041, China; 6 No.91395 Unit, Beijing 102400, China)

To explore the influence of the third blunt body on flow field of advanced vortex combustor, influence of blunt body structure on total pressure loss and vortex has been studied, the numerical simulation under cold and combustion conditions has been carried out. Then, analysis on the influence of different flow speed on combustor flow field was made. The results show that both geometrical dimension change of the new added blunt body and the flow velocity change may significantly influence internal flow characteristics of combustor.

advanced vortex combustor; double cavities; combustion; numerical simulation

2014-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51066006;51266013);航空科學(xué)基金(2013ZB56002;2013ZB56004)資助

田佳瑩(1989-),女,吉林松原人,碩士研究生,研究方向:航空宇航推進(jìn)理論與工程。

V235.21

A