楊洪磊，李雅軍，楊 仁，鄭洪濤

(1．哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001;2．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150078)

0 引 言

燃燒室點(diǎn)火特性研究主要有實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值預(yù)測(cè)法2 種。實(shí)驗(yàn)測(cè)量法需要花費(fèi)大量的時(shí)間及精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，另外受模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、測(cè)量精度等因素限制，有時(shí)很難通過實(shí)驗(yàn)的方法得到真實(shí)的流場(chǎng)［1－2］。燃燒理論與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析(CFD)方法，不受實(shí)驗(yàn)條件限制，可深入分析燃燒室內(nèi)部的燃燒場(chǎng)及氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而為實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，該方法已經(jīng)逐漸成為指導(dǎo)燃燒室設(shè)計(jì)的有力工具。

在燃燒室設(shè)計(jì)中，點(diǎn)火器性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。點(diǎn)火的主要困難是啟動(dòng)點(diǎn)火時(shí)，流場(chǎng)處于低溫低壓環(huán)境下，燃油霧化效果差。點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)當(dāng)考慮點(diǎn)火位置、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間、火核半徑以及局部空氣動(dòng)力學(xué)等參數(shù)。成功的點(diǎn)火取決于很多因素，如點(diǎn)火器特性、燃油霧化特性、湍流水平、入口空氣流速等。

以Lefebvre［3］為代表，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究了流體速度、湍流度、燃料種類、燃油霧化特性、蒸發(fā)率等參數(shù)對(duì)最低點(diǎn)火能量的影響，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)了一套關(guān)聯(lián)式來描述各參數(shù)之間的關(guān)系。Ahmed［4］研究了電火花能量、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間、電極直徑等參數(shù)對(duì)甲烷射流點(diǎn)火成功率的影響。其研究表明:當(dāng)點(diǎn)火能量較高、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、電極直徑較小時(shí)，點(diǎn)火成功率較高，且火核增長(zhǎng)速率較大。Marchione［5］和Mastorakos［6］研究發(fā)現(xiàn)較長(zhǎng)的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間能提高點(diǎn)火效率。Eyssartier［7－8］提出了一個(gè)燃燒室點(diǎn)火成功性的判斷準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則要求:點(diǎn)火能量必須足夠形成一個(gè)初始火核;蒸發(fā)時(shí)間和熱擴(kuò)散時(shí)間必須滿足火核的生長(zhǎng)。Eyssartier 用該準(zhǔn)則預(yù)測(cè)了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火特性，并與實(shí)驗(yàn)做對(duì)比，結(jié)果吻合良好。William［9］采用LES 方法模擬了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火過程。其研究結(jié)果表明:電火花的尺寸對(duì)點(diǎn)火成功有很重要的影響，當(dāng)火核半徑為5 mm 時(shí)點(diǎn)火失敗，為7.5 mm 時(shí)才能點(diǎn)火成功。在起始階段，大的電火花會(huì)累積更高的溫度，導(dǎo)致更多燃油蒸發(fā)，從而加速火焰的傳播;當(dāng)火核體積較小時(shí)，進(jìn)入回流區(qū)的高溫燃燒產(chǎn)物較少，從而導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。

點(diǎn)火能量、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間和火核半徑等參數(shù)對(duì)點(diǎn)火成功率及燃燒室設(shè)計(jì)有重要的影響，它們之間的耦合作用對(duì)點(diǎn)火特性的影響目前未見報(bào)道，因此本文主要研究點(diǎn)火器特征參數(shù)對(duì)點(diǎn)火性能的影響，為改善燃燒室的點(diǎn)火條件提供指導(dǎo)。

1 幾何模型

本文所采用的是某環(huán)管型燃燒室，為減少計(jì)算量，采用周期性邊界條件，取單個(gè)火焰筒作為研究對(duì)象。在對(duì)計(jì)算域生成網(wǎng)格時(shí)，對(duì)點(diǎn)火位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，全局采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為30 萬(wàn)。燃燒室?guī)缀文Ｐ图坝?jì)算域網(wǎng)格如圖1 所示。

根據(jù)工作條件，假定工質(zhì)為理想氣體，混合物物性按照道爾頓定律近似計(jì)算，忽略重力、浮力、熱泳力、輻射換熱，采用EDC 燃燒模型，計(jì)算非穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火過程，時(shí)間步長(zhǎng)取為0.1 ms。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)火條件為:空氣流量0.198 75 kg/s，燃油流量0.005 54 kg/s，入口空氣溫度366 K，工作壓力218 000 Pa，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.91。

圖1 燃燒室計(jì)算域及網(wǎng)格圖Fig.1 Combustor calculation zone and gird

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

首先對(duì)南京航空航天大學(xué)的雙旋流環(huán)形燃燒室［10］進(jìn)行計(jì)算，從而驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。雙旋流環(huán)形燃燒室試驗(yàn)件和幾何模型如圖2 所示［10］。燃料為航空煤油，采用C12H23作為替代燃料，本文分別計(jì)算2 種不同油氣比時(shí)的穩(wěn)定燃燒場(chǎng)，計(jì)算工況和實(shí)驗(yàn)條件如表1 所示。

圖2 雙旋流環(huán)形燃燒室［10］Fig.2 Dual-swirl annular combustor［10］

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experiment condition

圖3 和圖4 給出了在2 種不同油氣比時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比較。從圖中可以看到，2 種不同的油氣比時(shí)，出口溫度和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿徑向分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值都吻合良好，誤差較小，說明數(shù)值模擬的結(jié)果及精度可信。

因?yàn)榛亓鲄^(qū)的特征嚴(yán)重影響燃燒室的點(diǎn)火特性，所以對(duì)回流區(qū)的準(zhǔn)確捕捉非常重要。圖5 給出了該燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)中截面流線圖，通過對(duì)比可知，回流區(qū)的核心位置、形狀和大小與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，表明了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖3 燃燒室出口溫度徑向分布Fig.3 Profiles of outlet temperature on radial

圖4 燃燒室出口CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)徑向分布Fig.4 Profiles of outlet mass fraction of CO2 on radial

圖5 燃燒室中截面流線圖Fig.5 Streamlines on middle section combustor

3 計(jì)算結(jié)果及分析

表2 統(tǒng)計(jì)了不同火核半徑、點(diǎn)火能量和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間時(shí)的點(diǎn)火事件。

表2 點(diǎn)火能量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Ignition energy statistics

點(diǎn)火器必須能提供足夠的能量給可燃油氣混合物，從而形成一個(gè)能穩(wěn)定傳播的火核，該火核的生成熱必須大于熱損失，那么點(diǎn)火才能成功。所以在液態(tài)燃料點(diǎn)火系統(tǒng)中，必然存在一個(gè)最小的火核半徑、最短的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間和最低的點(diǎn)火能量以保證有足夠的燃油蒸發(fā)。

點(diǎn)火時(shí)，電火花首先生成一個(gè)很小的火核，該火核的溫度必須足夠高，以能夠使火核附近的油滴迅速蒸發(fā)，在火核附近形成的油蒸氣才會(huì)立刻燃燒。如果燃燒所釋放的熱釋放速率超過了熱傳導(dǎo)所形成的熱損失，那么火核會(huì)逐漸增大以充滿整個(gè)燃燒空間;如果熱釋放速率比熱損失速率大，那么火核的溫度會(huì)不斷下降一直到燃油蒸發(fā)停止。

點(diǎn)火能量的大小直接關(guān)系到點(diǎn)火的成功概率，如果點(diǎn)火能量太大，則點(diǎn)火器的壽命可能下降;如果點(diǎn)火能量太小，則有可能導(dǎo)致點(diǎn)火失敗，因此有必要對(duì)點(diǎn)火器的最小點(diǎn)火能量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)留有工作余量。

由表2 可知，本燃燒室成功點(diǎn)火的最小火核半徑為r=3 mm，最小點(diǎn)火能量為E=6 J，最短點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為t =10 ms，瞬間點(diǎn)火功率約為600 W。表2 表明有3 種情況都會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火失敗:點(diǎn)火功率不足、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間不足以及火核半徑太小，但這3 個(gè)因素可以互相補(bǔ)充以保證點(diǎn)火成功。具體分析如下:

1)點(diǎn)火功率不足:當(dāng)火核半徑為r6 時(shí)，最低點(diǎn)火能量為10 J、最小點(diǎn)火功率為200 W、最短持續(xù)時(shí)間為50 ms。當(dāng)保證點(diǎn)火總能量不變時(shí)，繼續(xù)減小點(diǎn)火功率(如表中Case B 點(diǎn)火功率降為100 W)，點(diǎn)火失敗。分析原因，就是當(dāng)點(diǎn)火功率較低時(shí)，電火花提供給混合物的能量迅速被冷空氣帶走，不足以使冷空氣加熱升溫到其自燃溫度，就是說火核溫度太低。雖然輸入系統(tǒng)的總能量足夠點(diǎn)火，但過低的點(diǎn)火功率無(wú)法點(diǎn)燃火焰。

2)持續(xù)時(shí)間太短:當(dāng)火核半徑為r6 時(shí)，將點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間縮短為25 ms，為保證總的點(diǎn)火能量不變(為10 J)，將點(diǎn)火功率提升為P =400 W (Case C)。Case C 與Case A 相比，持續(xù)時(shí)間是Case A 的一半，最終點(diǎn)火失敗。分析其原因，即使Case C 點(diǎn)火功率足夠大，那么其點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間太短，點(diǎn)火能量還未來得及被油氣混合物吸收，火核就被冷空氣吹走，而點(diǎn)火器卻又停止工作，所以最終未能成功點(diǎn)火。

為探索最短點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間是否為50 ms，將火核半徑減小為r4 (Case D)，同時(shí)保證其他參數(shù)不變E=10 J，Δt =50 ms，P =200 W，結(jié)果發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火失敗?？梢?，當(dāng)火核半徑減小時(shí)，最初的點(diǎn)火條件又不成立了。原因可能是由于火核半徑減小，相應(yīng)的在同樣時(shí)間里火核傳遞給混合氣的能量減少所導(dǎo)致。為解決這個(gè)問題，進(jìn)一步延長(zhǎng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間(Case E)，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火果然成功。由此可以得到結(jié)論，當(dāng)火核半徑減小時(shí)，要想保證點(diǎn)火成功，必須延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間。

保證其他參數(shù)不變，延長(zhǎng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間，會(huì)使總的點(diǎn)火能量升高。為探索最低的點(diǎn)火能量，本文采取降低點(diǎn)火功率的方法(Case F)，保證足夠的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間(100 ms)，將點(diǎn)火功率降低為100 W，則總的點(diǎn)火能量保持為10 J，計(jì)算發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火成功。繼續(xù)降低點(diǎn)火功率為50 W (Case G)，點(diǎn)火成功;降低為20 W (Case H)，點(diǎn)火失敗，此時(shí)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間已經(jīng)為500 ms，已經(jīng)不可能再繼續(xù)延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間，因?yàn)橐环矫鎸?shí)際上不現(xiàn)實(shí);另一方面，20 W 的點(diǎn)火功率作用在r4 的火核半徑上，已經(jīng)不能使火核溫度有明顯的升高，所以再繼續(xù)延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間以此來達(dá)到能量累積的目的已經(jīng)不可能。

表中的Case L 表明，可以通過提高點(diǎn)火功率來彌補(bǔ)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間的不足，從而保證點(diǎn)火成功。如果繼續(xù)縮短點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間，同時(shí)提高點(diǎn)火功率，如Case N，結(jié)果無(wú)論點(diǎn)火功率提高到多少，都不能成功點(diǎn)火。所以本文可以得到這樣一條結(jié)論:當(dāng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間較小時(shí)，可以通過提高點(diǎn)火功率做補(bǔ)償，以保證點(diǎn)火成功，但是當(dāng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間低于最低值時(shí)，無(wú)論如何提高點(diǎn)火功率，點(diǎn)火都失敗。

3)火核半徑太小:保證E =6 J，Δt =100 ms，P=60 W，進(jìn)一步減小火核半徑。Case P 火核半徑為r3，Case R 火核半徑為r2。在同一時(shí)刻，火核Case R 的溫度一定比Case P 要高，然而Case P 能夠成功點(diǎn)火，Case R 卻點(diǎn)火失敗。這主要是因?yàn)镃ase R 的火核半徑太小，不足以與油氣混合物進(jìn)行充分接觸，來不及把熱量完全傳遞給混合物，火核就基本上被吹滅。所以無(wú)論點(diǎn)火能量和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間是否充足，只要火核半徑太小，點(diǎn)火一定失敗。

4 結(jié) 語(yǔ)

本燃燒室成功點(diǎn)火的的最小火核半徑為r =3 mm，最小點(diǎn)火能量為E=6 J，最短點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為t =10 ms，瞬間點(diǎn)火功率約為600 W。

1)導(dǎo)致點(diǎn)火失敗的原因?yàn)辄c(diǎn)火功率不足、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間不足及火核半徑太小;

2)當(dāng)點(diǎn)火功率較小時(shí)，可以通過延長(zhǎng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間使點(diǎn)火成功，但是當(dāng)點(diǎn)火功率低于最低值時(shí)，無(wú)論如何延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間，點(diǎn)火都將失敗;

3)當(dāng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間較小時(shí)，可通過提高點(diǎn)火功率做補(bǔ)償，以保證點(diǎn)火成功，但是當(dāng)點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間低于最低值時(shí)，無(wú)論如何提高點(diǎn)火功率，點(diǎn)火都將失敗;

4)當(dāng)火核半徑較小時(shí)，要想保證點(diǎn)火成功，必須延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間，但是當(dāng)火核半徑低于最低值時(shí)，無(wú)論如何延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間或提高點(diǎn)火功率，點(diǎn)火都將失敗。

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