某型蒸發(fā)式穩(wěn)定器氣動(dòng)及燃燒特性研究

丁兆波，金 捷

（1.北京航天動(dòng)力研究所，北京100076；2.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真中心，北京100191）

0 引言

蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器具有燃燒效率高，貧油熄火范圍寬，點(diǎn)火性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工作狀態(tài)多變的加力燃燒室和亞燃沖壓燃燒室中得到普遍應(yīng)用。其中鄭殿峰基于斯貝蒸發(fā)式穩(wěn)定器改進(jìn)設(shè)計(jì)了多種蒸發(fā)式穩(wěn)定器，提高了點(diǎn)火性能、火焰穩(wěn)定性和燃燒效率，擴(kuò)大了低壓下的貧富油熄火邊界。劉鴻、王家驊等對(duì)應(yīng)用在AL-31F加力燃燒室的一種V型蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器進(jìn)行了研究，揭示了該種穩(wěn)定器冷態(tài)下的總壓損失特點(diǎn)以及低壓穩(wěn)定性好，貧富油熄火邊界寬的特點(diǎn)。

本文對(duì)某型蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器在高速低溫來(lái)流下的流動(dòng)特性、兩相燃燒及性能進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，并與常規(guī)V型火焰穩(wěn)定器進(jìn)行了對(duì)比分析，重點(diǎn)關(guān)注與氣動(dòng)及燃燒特性有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 研究問(wèn)題

蒸發(fā)式穩(wěn)定器的幾何結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。此穩(wěn)定器置于二元矩形通道內(nèi)，選取堵塞比0.32。V型穩(wěn)定器見(jiàn)圖1（b）所示。

1.2 數(shù)值方法及邊界條件

計(jì)算采用有限體積方法和迎風(fēng)格式對(duì)氣相N-S控制方程進(jìn)行離散。壓力和速度的耦合采用SIMPLE方法。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型提供湍流封閉，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。采用守恒標(biāo)量的PDF模型處理擴(kuò)散燃燒問(wèn)題。煤油噴霧采用離散相模型，在全流場(chǎng)中用拉格朗日方法跟蹤液滴的運(yùn)動(dòng)和輸運(yùn)。給定來(lái)流空氣速度進(jìn)口，壓力出口，燃料進(jìn)口采用DPM模型，給定煤油噴嘴的位置、液滴的速度、直徑、靜溫和流量。壁面絕熱，無(wú)滑移。

具體模擬工況：進(jìn)口氣流Ma=0.15～0.28；進(jìn)口溫度T=429～583 K；油氣比f(wàn)=0.003～0.02。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 氣動(dòng)特性

對(duì)相同槽寬的蒸發(fā)式和V型穩(wěn)定器，Ma數(shù)取0.15，0.20，0.24和0.28等4個(gè)值進(jìn)行了冷態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬。

2.1.1 燃燒室氣動(dòng)損失

實(shí)際燃燒室中，由于存在摩擦阻力、混合阻力和加熱阻力等，出口總壓必然低于進(jìn)口總壓。習(xí)慣上，定義燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)為出口截面平均總壓與進(jìn)口截面平均總壓之比。

由圖2可見(jiàn)，隨進(jìn)口氣流速度的增大，蒸發(fā)式穩(wěn)定器的總壓恢復(fù)系數(shù)有明顯的下降，計(jì)算值與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)一致，誤差在可接受范圍內(nèi)；相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器，總壓恢復(fù)系數(shù)略有減小，但變化不大。

2.1.2 回流區(qū)長(zhǎng)度、回流率φ和停留時(shí)間τres

由圖3（a）可見(jiàn)，隨來(lái)流速度的增大，回流區(qū)長(zhǎng)度略有變化，但變化不大；回流區(qū)長(zhǎng)度相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器略小。

回流率φ為回流區(qū)內(nèi)逆流流量與來(lái)流流量之比。根據(jù)均勻攪拌器理論，回流率越大，回流區(qū)內(nèi)熱燃?xì)赓|(zhì)量越多，這有利于和來(lái)流新鮮混氣的熱交換，有利于燃燒。由圖3（b）可見(jiàn)，隨來(lái)流速度的增大，回流率基本不變；相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器，回流率明顯減小。

在混合區(qū)中燃?xì)獾耐Ａ魰r(shí)間決定了是否能建立一穩(wěn)定的火焰或者熄火，停留時(shí)間：

式中：L為回流區(qū)長(zhǎng)度；V2為混合區(qū)邊緣處的速度。根據(jù)米海爾松準(zhǔn)則若 τ＜τ，即resb可燃物停留時(shí)間小于燃燒時(shí)間，火焰就會(huì)被吹離回流區(qū)而熄滅。理論上說(shuō)，Mi越大越有利于燃燒。τres≈τb相應(yīng)于臨界穩(wěn)定著火值。

由圖3（c）可見(jiàn)，隨來(lái)流速度的增大，停留時(shí)間明顯縮短；相比同樣槽寬的V型穩(wěn)定器，停留時(shí)間略有減小，但變化不大。

2.2 燃燒特性

2.2.1 燃燒流場(chǎng)特征

蒸發(fā)式穩(wěn)定器寬廣的工作范圍和良好的高速低溫來(lái)流下的點(diǎn)火性能主要得益于其特殊的尾跡氣流結(jié)構(gòu)和采用回流區(qū)局部供油方案。

圖4為蒸發(fā)式穩(wěn)定器正對(duì)蒸發(fā)管分布孔的流型數(shù)值仿真結(jié)果 。氣流分兩路進(jìn)入穩(wěn)定器，一部分通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入蒸發(fā)管與噴入蒸發(fā)管內(nèi)的燃油混合后從蒸發(fā)管上下兩側(cè)的分布孔射出，并和另一部分從穩(wěn)定器頭部的進(jìn)氣孔進(jìn)入的空氣形成混合流。蒸發(fā)式穩(wěn)定器后部形成明顯的回流區(qū)，由一對(duì)穩(wěn)定的渦對(duì)組成。蒸發(fā)式穩(wěn)定器的內(nèi)回流區(qū)，受到V型翼板的保護(hù)，基本上不受外部主流流動(dòng)的干擾，并可以單獨(dú)控制局部供油，因此有利于在高速來(lái)流的條件下可靠工作。

另一方面，采用蒸發(fā)管有利于在尺寸很小的火焰穩(wěn)定器內(nèi)組織燃燒。蒸發(fā)管有利于燃油較充分地霧化蒸發(fā)和摻混，同時(shí)單獨(dú)給穩(wěn)定器供油，可以使穩(wěn)定器在最佳油氣比下工作?；亓鲄^(qū)氣態(tài)燃油濃度較高，對(duì)于點(diǎn)火、組織燃燒比較有利，保持回流區(qū)始終處于高溫區(qū)（圖5），大大提高穩(wěn)定器的壁溫，使低溫來(lái)流下的穩(wěn)定工作能力相應(yīng)增強(qiáng)。來(lái)自主流的冷油滴可以在其表面再次蒸發(fā)，給回流區(qū)補(bǔ)充可燃蒸汽，進(jìn)而又強(qiáng)化了穩(wěn)定器的“蒸鍋效應(yīng)”，使火焰穩(wěn)定器的工作狀態(tài)得以恢復(fù)，從而有利于低溫來(lái)流條件下穩(wěn)定燃燒。

2.2.2 不同來(lái)流及油氣比下的燃燒性能

由圖6（a）可見(jiàn)，隨著來(lái)流速度的增大，燃燒效率略有變化，但變化不大。油氣比f(wàn)=0.02相比f(wàn)=0.003情況下燃燒效率顯著提高，在Ma=0.28,f=0.02時(shí)，燃燒效率最大，可達(dá)96%。由圖6（b）可見(jiàn)，僅穩(wěn)定器局部供油，即f=0.003時(shí)，出口平均溫度約600 K。而主燃區(qū)和穩(wěn)定器組合供油，即f=0.02時(shí)，出口平均溫度約1200 K，且沿徑向分布更為均勻。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型蒸發(fā)式穩(wěn)定器在本文模擬來(lái)流條件下的數(shù)值研究，得出以下結(jié)論：

1）隨來(lái)流速度的增大，總壓恢復(fù)系數(shù)明顯下降，停留時(shí)間明顯縮短，而回流區(qū)長(zhǎng)度、回流率和燃燒效率變化不大。

2）與相同槽寬的常規(guī)V型火焰穩(wěn)定器相比，回流率明顯減小，總壓恢復(fù)系數(shù)、回流區(qū)長(zhǎng)度和停留時(shí)間略有減小。

3）蒸發(fā)式穩(wěn)定器后部可形成明顯的回流區(qū)，且基本上不受外部主流流動(dòng)的干擾，有利于在高速來(lái)流的條件下可靠工作。

4）通過(guò)單獨(dú)控制穩(wěn)定器局部供油，可以使穩(wěn)定器在最佳油氣比下工作，有利于燃油較充分地霧化蒸發(fā)和摻混，有利于低溫來(lái)流下的點(diǎn)火和組織燃燒。

[1]鄭殿峰,張會(huì)強(qiáng),林文漪,等.蒸發(fā)式穩(wěn)定器常壓和低壓燃燒性能試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(12):1724-1728.

[2]鄭殿峰,張會(huì)強(qiáng),林文漪,等.蒸發(fā)式穩(wěn)定器氣態(tài)燃料摻混特性和蒸發(fā)管的流量系數(shù)[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2004,10(1):28-31.

[3]劉鴻,王家驊.特種V型蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器的總壓損失試驗(yàn)研究[J].江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2002,14(3):40-42.

[4]劉鴻,王家驊.特種V型蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器的低壓性能試驗(yàn)研究[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,16(1):12-14.

[5]王方,許春曉,王家驊.穩(wěn)定器流動(dòng)、燃燒實(shí)驗(yàn)及冷態(tài)大渦模擬研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2006,21(3):502-506.

[6][美]約翰.霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)所.沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1980.

[7]劉興洲.飛航導(dǎo)彈動(dòng)力裝置[M].北京:宇航出版社,1992.

[8]LONGWELL J P,FROST E E,WEISS M A.Flame stability in bluff body recirculation[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry,1953,45(8):1629-1633.

[9]許勝.多孔介質(zhì)鈍體火焰穩(wěn)定特性實(shí)驗(yàn)研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

[10]丁兆波,金捷.某型蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器燃燒特性及供油匹配數(shù)值研究[J].火箭推進(jìn),2012,38(4):43-48.

[11]王家驊.一個(gè)預(yù)燃式穩(wěn)定器的穩(wěn)焰機(jī)理研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),1981,2(4):23-28.

[12]王家驊.蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器的穩(wěn)定機(jī)理研究[J].南京航空學(xué)院學(xué)報(bào),1980(1):69-84.

[13]KUNDU K M,DBANERJEE D.Theoretical analysis on flame stabilization by a Bluff-body[J].Combustion Science and Technology,1977,17(3/4):153-162.

[14]李寧,宋文艷,羅飛騰,等.基于先鋒氫點(diǎn)火和雙凹腔火焰穩(wěn)定的煤油超聲速燃燒特性 [J].推進(jìn)技術(shù),2012(2):205-210.

[15]潘亮,聶嵩,劉業(yè)奎.環(huán)槽式過(guò)氧化氫/煤油氣液噴注器研究[J].火箭推進(jìn),2012(3):23-28.

[16]冮強(qiáng),王遼,郭金鑫,等.基于總溫測(cè)量的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2012(4):1-5.

[17]稅琳棋,高建民,劉加增,等.不同冷卻工況下90°帶肋通道中蒸汽的強(qiáng)化換熱特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012(9):6-11.