俞 駿,劉景源

(南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)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(diǎn)[1-2]。

Zbeeb等[3]研究了不同燃料組合對(duì)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(duì)TVC性能的影響,發(fā)現(xiàn)在高旋流轉(zhuǎn)速時(shí)科氏力是影響凹腔流體流動(dòng)的主要因素。孫海俊等[5]對(duì)中心鈍體TVC的數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)駐渦穩(wěn)定性好,但燃燒效率不高。

對(duì)壁面凹腔TVC需要增進(jìn)駐渦與主流的摻混,以提高燃燒效率[6]。增強(qiáng)摻混可以在凹腔內(nèi)噴射空氣產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的渦對(duì),利用與主流接觸的渦增進(jìn)相互作用,但凹腔內(nèi)的空氣速度對(duì)火焰穩(wěn)定性具有強(qiáng)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(dǎo)流片引入壁面凹腔TVC,利用導(dǎo)流片將部分主流引入凹腔的方法來(lái)提高TVC的燃燒效率,實(shí)驗(yàn)表明燃燒效率達(dá)到96%以上。徐舟等[7]、王志凱等[8]分別將導(dǎo)流片引入凹腔TVC及鈍體結(jié)構(gòu)TVC并進(jìn)行研究。

導(dǎo)流片的引入,不但會(huì)形成理想的雙渦結(jié)構(gòu),增進(jìn)主流與凹腔內(nèi)流動(dòng)相互作用,并且引入導(dǎo)流片導(dǎo)致的壓力損失也在可接受的范圍內(nèi)。但是,無(wú)論是對(duì)壁面凹腔駐渦還是中間鈍體駐渦燃燒室,引入導(dǎo)流片后研究的幾何外形均為方形截面[1,6-8],而實(shí)際的燃燒室絕大多數(shù)是環(huán)形。另外,并未研究導(dǎo)流片與后鈍體結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)燃燒室性能的影響。文中則研究導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)及后鈍體參數(shù)對(duì)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(jì)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(dǎo)流片環(huán)形旋渦燃燒室由18個(gè)圖1所示的模型繞軸線周期陣列而來(lái),燃燒室總長(zhǎng)400 mm,內(nèi)徑700 mm,外徑900 mm,前鈍體軸向長(zhǎng)度為40 mm,后鈍體軸向長(zhǎng)度為20 mm;上下通道徑向的B=20 mm,H2/H1=0.7,L/H1=0.6,導(dǎo)流片厚度為1 mm。

導(dǎo)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(dǎo)流片徑向高度、e為導(dǎo)流片到前鈍體下壁面的距離、b為導(dǎo)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(zhǎng)。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 計(jì)算方法及邊界條件

數(shù)值模擬方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。計(jì)算時(shí)的化學(xué)當(dāng)量比為0.6。燃燒室進(jìn)口采用速度入口,大小為60 m/s,進(jìn)口溫度為300 K;燃燒室出口壓力為1個(gè)大氣壓。

1.3 算例驗(yàn)證

選取文獻(xiàn)[1]的外形參數(shù)和計(jì)算條件,并將不同主流速度下總壓損失系數(shù)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由圖2可見(jiàn),計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好,表明文中計(jì)算可行。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 c/H1對(duì)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(shí)截面7°時(shí)凹腔對(duì)應(yīng)的速度及旋渦結(jié)構(gòu)如圖3所示。主流在流過(guò)導(dǎo)流片后由于通道截面變大,靠近導(dǎo)流片一側(cè)的主流產(chǎn)生橫向流動(dòng),流向凹腔;同時(shí)由于受到經(jīng)由導(dǎo)流片進(jìn)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(shí),由于粘性作用,在靠近后鈍體處形成內(nèi)側(cè)旋渦,進(jìn)而凹腔內(nèi)均形成雙渦對(duì)。

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(dòng)區(qū)減小,低速流動(dòng)區(qū)增大導(dǎo)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(shí),燃燒室出口截面溫度分布。由圖可見(jiàn),由于導(dǎo)流片產(chǎn)生的外側(cè)渦對(duì)加強(qiáng)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(duì)燃燒效率η影響曲線。由圖可見(jiàn),η隨c/H1的增大而緩慢增加,且都高于97.5%,參考圖3對(duì)應(yīng)的凹腔旋渦結(jié)構(gòu)可知,外側(cè)旋渦的變大加強(qiáng)了主流與凹腔間的傳質(zhì)換熱,同時(shí)導(dǎo)流片的分流減小了燃?xì)獾募?使得燃?xì)饽軌虺浞秩紵?/p>

綜上,當(dāng)c/H1=0.2時(shí),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(duì)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(shí)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(dāng)e/B≤0.3時(shí),隨著e/B取值的增大,經(jīng)導(dǎo)流片進(jìn)入凹腔流量增加,凹腔中心高速流動(dòng)區(qū)增大,對(duì)內(nèi)側(cè)渦對(duì)的擠壓作用明顯,旋渦逐漸變小。同時(shí)由于導(dǎo)流片處主流通道的變窄,使得進(jìn)入導(dǎo)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(dāng)e/B=0.4時(shí),凹腔中線高速流動(dòng)區(qū)沒(méi)有明顯變化,但導(dǎo)流片徑向變長(zhǎng),使得遮擋能力變強(qiáng),內(nèi)側(cè)渦對(duì)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(shí)對(duì)應(yīng)的燃燒室出口σ。隨著e/B的增加,導(dǎo)流片分流作用越明顯,進(jìn)入凹腔的流量增加,使得導(dǎo)流片對(duì)氣流的阻礙作用變大,同時(shí)主流流速的變大,增加了氣流的摩擦阻力,使得σ增大。當(dāng)e/B為0.4時(shí),燃燒室總壓損失系數(shù)達(dá)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(shí)的出口溫度分布。由圖7可見(jiàn),e/B=0.1時(shí),由于導(dǎo)流片分流作用不明顯,凹腔進(jìn)氣量較少,燃?xì)庵饕杏谥髁?使得主流燃?xì)馊紵怀浞?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(jìn)一步提高,燃燒室燃?xì)馊紵兊迷匠浞?低溫區(qū)溫度升高,出口溫度均勻性增強(qiáng)。

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?xì)獾南鄬?duì)集中性下降,同時(shí)旋渦區(qū)流速的變大會(huì)使主流與凹腔高溫燃?xì)鈸交旒觿?燃燒效率η變大,當(dāng)e/B為0.4時(shí),η達(dá)到99.9%。

綜上,當(dāng)e/B=0.2時(shí),凹腔旋渦回流區(qū)較大,且流速不高,同時(shí)能在總壓損失較低的情況下實(shí)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(duì)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(duì)凹腔的旋渦結(jié)構(gòu)影響較大。b/L=0.1時(shí),凹腔內(nèi)形成較大的兩組對(duì)稱(chēng)旋渦,有利于駐渦穩(wěn)定。b/L=0.2～0.4時(shí)凹腔高速流動(dòng)區(qū)向上下兩側(cè)移動(dòng),凹腔軸向由于導(dǎo)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(duì)渦核向外移動(dòng)。同時(shí),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(jiàn),σ先減小后基本不變。參考對(duì)應(yīng)流場(chǎng)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(dāng)b/L=0.3、0.4時(shí),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(dǎo)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(shí)燃燒效率曲線。由圖可見(jiàn),燃燒效率η隨b/L的增大先快速減小,后下降趨勢(shì)有所減緩。分析對(duì)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(shí)主流流速下降,使得主流與凹腔高溫燃?xì)忾g的摻混減弱,η下降。相比b/L=0.2,b/L=0.3、0.4時(shí)凹腔外側(cè)渦對(duì)與內(nèi)側(cè)渦對(duì)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(shì),致使η下降減緩。

綜上,與b/L=0.2～0.4相比,b/L=0.1時(shí)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(duì)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(shí)燃燒室的旋渦結(jié)構(gòu)及速度云圖。由圖可見(jiàn),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(zhǎng)越長(zhǎng),對(duì)其后方回流區(qū)的遮擋能力也就越強(qiáng),致使燃燒室左右兩側(cè)通道氣流對(duì)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(zhǎng)的變化對(duì)凹腔內(nèi)流場(chǎng)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(duì)凹腔流場(chǎng)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(shí)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?yàn)镾2/a取值增大時(shí),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(dǎo)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(huì)使燃燒效率增大、出口溫度均勻性提高,但會(huì)導(dǎo)致燃燒室重量增加。

4 結(jié)論

文中對(duì)不同導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)及后鈍體弧長(zhǎng)下的三維環(huán)形TVC進(jìn)行了數(shù)值模擬,并分析了燃燒室流動(dòng)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(duì)三維環(huán)形TVC的性能影響較大:e/B=0.4時(shí)燃燒效率達(dá)到最大(99.9%),e/B=0.1時(shí),總壓損失系數(shù)最小(2.56%)。

3)b/L的增大使得凹腔雙渦對(duì)、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(dǎo)流片參數(shù)在c/H1=0.2、e/B=0.2、b/L=0.1時(shí)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。