基于CFX的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流態(tài)研究

黃悅++于軍力++王炫

摘 要：10 cm量級(jí)的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景。緊湊的結(jié)構(gòu)使其燃燒室中回流區(qū)的形成及冷卻氣的混合距離有限，導(dǎo)致燃燒室出口溫度過(guò)高?；贏NSYS/CFX程序平臺(tái)，對(duì)一種直流環(huán)形燃燒室的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析，討論了射流孔的不同流量分布對(duì)回流區(qū)和混合區(qū)的影響，并研究了燃燒室入口不同流量對(duì)射流孔流量分布的影響。結(jié)果表明，數(shù)值模擬能反映出燃燒室流態(tài)的變化，對(duì)微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī) 環(huán)形燃燒室

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0100-03

10 cm量級(jí)的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)[1]，在一些特殊領(lǐng)域作為動(dòng)力裝置有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊導(dǎo)致燃燒室空間窄小，如何在有限的空間中保證燃燒穩(wěn)定并且有效的進(jìn)行冷氣摻混以降低燃燒室出口溫度，成為這類發(fā)動(dòng)機(jī)研究的關(guān)鍵問題，要解決此問題必須在燃燒室中建立適合小尺寸燃燒室結(jié)構(gòu)的流態(tài)[3]。對(duì)于大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的一些結(jié)構(gòu)并不適用小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，如通常采用的旋流器與射流孔共同形成回流區(qū)來(lái)保證燃燒穩(wěn)定，但在小發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中一般不用旋流器，而是以射流形式形成回流區(qū)[4]。此外，大型發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓力噴油嘴在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上也難以實(shí)現(xiàn)，小型發(fā)動(dòng)機(jī)多采用蒸發(fā)管形式的噴油嘴?；谛⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)的自身特點(diǎn)，導(dǎo)致其燃燒室的設(shè)計(jì)出現(xiàn)多種樣式，從國(guó)內(nèi)外的報(bào)道中可看出燃燒室的結(jié)構(gòu)比較多樣[5]。各種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，如何選取一種性能較佳的燃燒室，只能綜合分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)流場(chǎng)的影響，然后確定不同參數(shù)的影響以改進(jìn)設(shè)計(jì)[6]。

本文利用ANSYS/CFX程序平臺(tái)對(duì)一種直流環(huán)形燃燒室的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)改變射流孔的面積，對(duì)比分析了燃燒室的流態(tài)變化，并在不同燃燒室進(jìn)口流量下，對(duì)火焰筒壁面射流孔的流量分配進(jìn)行了研究，其結(jié)果可為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算采用的燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示，火焰筒內(nèi)外壁面為圓柱形，外壁直徑96 mm，內(nèi)徑22 mm，軸向長(zhǎng)度70 mm。

這種尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)常采用蒸發(fā)管式噴油嘴，燃料管從后部伸入蒸發(fā)管入口處。燃料進(jìn)入蒸發(fā)管后開始蒸發(fā)并與從蒸發(fā)管后面進(jìn)入的空氣混合。通過(guò)蒸發(fā)管后，燃料與空氣形成均勻的燃料混合物射入到燃燒室，在蒸發(fā)管的射流及火焰筒壁面射流空氣作用下在燃燒室前部形成回流區(qū)，進(jìn)行穩(wěn)定燃燒。

如表1和表2所示，火焰筒外壁布置5排空，內(nèi)壁布置4排孔，各排孔沿圓周均勻分布，其每排孔的個(gè)數(shù)、直徑及距火焰筒前端距離見下表所示。蒸發(fā)管內(nèi)徑6.6 mm，長(zhǎng)62 mm，均勻排布6個(gè)，其位置為圓心處在直徑為81 mm的圓周上。

火焰筒壁面開孔具有對(duì)壁面冷卻、助燃以及形成回流區(qū)的作用，燃燒室后部較大的孔與燃?xì)鈸交爝M(jìn)行冷卻以降低出口燃?xì)鉁囟?。因此，越靠后的孔射流的空氣流量大，尺寸就比較大。上壁面最后一排孔為了吹出死角區(qū)燃?xì)?，防止溫度過(guò)高，需要空氣流量不多，孔徑較小。

2 建立計(jì)算模型

ANSYS/CFX程序平臺(tái)對(duì)工程應(yīng)用起到了重要的輔助作用，其研究結(jié)果可有效的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。選取的計(jì)算模型從燃燒室入口至出口段，該模型試驗(yàn)用的壓氣機(jī)為離心式葉輪，由于尺寸較小，壓力提高的不多，因此出口使用壓力邊界條件，設(shè)為一個(gè)大氣壓，入口以速度為條件。由于燃燒室的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用了四面體網(wǎng)格，在射流孔周圍進(jìn)行了加密處理，如圖2所示。采用K-ω模型，這種模型適合于大曲率流動(dòng)形式，對(duì)回流區(qū)的計(jì)算效果比較好。燃燒室結(jié)構(gòu)為周期軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小網(wǎng)格數(shù)量，周向取了60度范圍作為計(jì)算域。通過(guò)試算幾種不同網(wǎng)格數(shù)量，選取了100萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算，此網(wǎng)格數(shù)量對(duì)結(jié)果基本沒有影響。計(jì)算精度RMS為10e-5，這個(gè)程度可以進(jìn)行定量的分析。

火焰筒的壁面射流和蒸發(fā)管的射流共同形成燃燒室的流態(tài)，不同的射流孔分布必然對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有影響。射流孔的數(shù)量眾多，如果對(duì)每一組合進(jìn)行研究，勢(shì)必計(jì)算量巨大。各排孔中孔徑大的射流孔影響比較大，因此，選取了外壁第四排孔進(jìn)行面積調(diào)整，而其他孔不變。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為在進(jìn)口流量0.038 kg/s時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)管中央截面速度分布圖，火焰筒壁面孔的分布為表1所示。可以看出在燃燒室前端蒸發(fā)管出口處形成回流區(qū)，回流區(qū)并沒有形成軸對(duì)稱的雙渦結(jié)構(gòu)。這是由于蒸發(fā)管的射流對(duì)回流區(qū)的形成起到引射作用，從圖中可以看出蒸發(fā)管中的速度要大于外部流場(chǎng)速度。而蒸發(fā)管比較靠近火焰筒外壁，從橫截面看上去形成了馬蹄狀的結(jié)構(gòu)，如圖4中流線的分布所示。從圖3看出，回流區(qū)的旋渦直徑從蒸發(fā)管下端一直到火焰筒內(nèi)壁處。對(duì)于小型燃燒室，由于空間的限制，不容易形成大型燃燒室對(duì)渦結(jié)構(gòu)的回流區(qū)，而形成單渦結(jié)構(gòu)更為可取，這樣更利于旋渦的形成。

圖5所示為同樣流量下，火焰筒外壁第四排孔直徑變?yōu)? mm后的流場(chǎng)圖，從圖中看，流態(tài)結(jié)構(gòu)保持不變，蒸發(fā)管中的流速變慢，由計(jì)算得，蒸發(fā)管射流原來(lái)出口速度21.56 m/s，改孔后為16.0 m/s。這是由于外壁第四排孔的變大，導(dǎo)致通過(guò)蒸發(fā)管的流量減小。蒸發(fā)管中的速度變小會(huì)影響回流區(qū)的切向速度，對(duì)回流的形成不利。第四排孔雖然流量變大，但同時(shí)面積增大，由計(jì)算可得，原來(lái)第四排孔的平均流速為22.3 m/s，改大后，速度為19.5 m/s。流量增加有利于摻混冷卻，但速度降低影響射流深度，會(huì)使摻混不充分，冷卻效果下降。表3為改孔前后各射流孔的流量比例對(duì)比?？梢钥闯?，一排孔的流量變化導(dǎo)致所有孔的流量變化，并且變化比較復(fù)雜，說(shuō)明流量受多種因素影響。

圖6為改孔前模型在不同燃燒室流量下各火焰筒壁面孔的流量變化，從圖中可以看出，隨流量增大，各孔的質(zhì)量百分比趨于穩(wěn)定，變化很小。說(shuō)明這種燃燒室隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，各孔流量分配保持的比較好，這樣在不同工況下，燃燒室都可以保持一個(gè)穩(wěn)定的流態(tài)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬研究可詳細(xì)的了解這種結(jié)構(gòu)燃燒室的流態(tài)及影響因素，采用了蒸發(fā)管射流與火焰孔壁面孔射流共同作用形成回流區(qū)，能夠形成比較好的流態(tài)形式，這為試驗(yàn)改進(jìn)提供了重要指導(dǎo)。

（2）火焰筒壁面孔的分布決定了流量的分配，從而直接影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如何獲得更好的流態(tài)形式，需要深入研究火焰筒的流量分配以及影響流量分配的因素，如射流孔的孔型，間距等。

（3）不同流量時(shí)，隨流量增大，火焰筒壁面各孔流量分配基本穩(wěn)定，這有利于燃燒室保持流態(tài)，以及對(duì)燃燒室燃油流量的調(diào)節(jié)控制等問題帶來(lái)方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡真.微型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)建模分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[2] 黃勇，林宇震.燃燒與燃燒室[M].北京：北京航空航天出版社，2009.

[3] 郭德三，單鵬.微型離心甩油環(huán)形折流燃燒室設(shè)計(jì)與數(shù)值研究[C]//中國(guó)航空學(xué)會(huì)第八屆小發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2009.

[4] 李聰，方蜀州，方平.微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室數(shù)值模擬[Z].

[5] 袁有志，王立平，關(guān)立文.微型環(huán)形燃燒室數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47（2）：198-201.

[6] 曾川，王洪銘，單鵬.微渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)離心甩油盤環(huán)形折流燃燒室的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2003，18（1）：92-96.endprint

摘 要：10 cm量級(jí)的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景。緊湊的結(jié)構(gòu)使其燃燒室中回流區(qū)的形成及冷卻氣的混合距離有限，導(dǎo)致燃燒室出口溫度過(guò)高?；贏NSYS/CFX程序平臺(tái)，對(duì)一種直流環(huán)形燃燒室的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析，討論了射流孔的不同流量分布對(duì)回流區(qū)和混合區(qū)的影響，并研究了燃燒室入口不同流量對(duì)射流孔流量分布的影響。結(jié)果表明，數(shù)值模擬能反映出燃燒室流態(tài)的變化，對(duì)微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī) 環(huán)形燃燒室

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0100-03

10 cm量級(jí)的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)[1]，在一些特殊領(lǐng)域作為動(dòng)力裝置有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊導(dǎo)致燃燒室空間窄小，如何在有限的空間中保證燃燒穩(wěn)定并且有效的進(jìn)行冷氣摻混以降低燃燒室出口溫度，成為這類發(fā)動(dòng)機(jī)研究的關(guān)鍵問題，要解決此問題必須在燃燒室中建立適合小尺寸燃燒室結(jié)構(gòu)的流態(tài)[3]。對(duì)于大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的一些結(jié)構(gòu)并不適用小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，如通常采用的旋流器與射流孔共同形成回流區(qū)來(lái)保證燃燒穩(wěn)定，但在小發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中一般不用旋流器，而是以射流形式形成回流區(qū)[4]。此外，大型發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓力噴油嘴在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上也難以實(shí)現(xiàn)，小型發(fā)動(dòng)機(jī)多采用蒸發(fā)管形式的噴油嘴。基于小型發(fā)動(dòng)機(jī)的自身特點(diǎn)，導(dǎo)致其燃燒室的設(shè)計(jì)出現(xiàn)多種樣式，從國(guó)內(nèi)外的報(bào)道中可看出燃燒室的結(jié)構(gòu)比較多樣[5]。各種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，如何選取一種性能較佳的燃燒室，只能綜合分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)流場(chǎng)的影響，然后確定不同參數(shù)的影響以改進(jìn)設(shè)計(jì)[6]。

本文利用ANSYS/CFX程序平臺(tái)對(duì)一種直流環(huán)形燃燒室的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)改變射流孔的面積，對(duì)比分析了燃燒室的流態(tài)變化，并在不同燃燒室進(jìn)口流量下，對(duì)火焰筒壁面射流孔的流量分配進(jìn)行了研究，其結(jié)果可為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算采用的燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示，火焰筒內(nèi)外壁面為圓柱形，外壁直徑96 mm，內(nèi)徑22 mm，軸向長(zhǎng)度70 mm。

這種尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)常采用蒸發(fā)管式噴油嘴，燃料管從后部伸入蒸發(fā)管入口處。燃料進(jìn)入蒸發(fā)管后開始蒸發(fā)并與從蒸發(fā)管后面進(jìn)入的空氣混合。通過(guò)蒸發(fā)管后，燃料與空氣形成均勻的燃料混合物射入到燃燒室，在蒸發(fā)管的射流及火焰筒壁面射流空氣作用下在燃燒室前部形成回流區(qū)，進(jìn)行穩(wěn)定燃燒。

如表1和表2所示，火焰筒外壁布置5排空，內(nèi)壁布置4排孔，各排孔沿圓周均勻分布，其每排孔的個(gè)數(shù)、直徑及距火焰筒前端距離見下表所示。蒸發(fā)管內(nèi)徑6.6 mm，長(zhǎng)62 mm，均勻排布6個(gè)，其位置為圓心處在直徑為81 mm的圓周上。

火焰筒壁面開孔具有對(duì)壁面冷卻、助燃以及形成回流區(qū)的作用，燃燒室后部較大的孔與燃?xì)鈸交爝M(jìn)行冷卻以降低出口燃?xì)鉁囟?。因此，越靠后的孔射流的空氣流量大，尺寸就比較大。上壁面最后一排孔為了吹出死角區(qū)燃?xì)?，防止溫度過(guò)高，需要空氣流量不多，孔徑較小。

2 建立計(jì)算模型

ANSYS/CFX程序平臺(tái)對(duì)工程應(yīng)用起到了重要的輔助作用，其研究結(jié)果可有效的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。選取的計(jì)算模型從燃燒室入口至出口段，該模型試驗(yàn)用的壓氣機(jī)為離心式葉輪，由于尺寸較小，壓力提高的不多，因此出口使用壓力邊界條件，設(shè)為一個(gè)大氣壓，入口以速度為條件。由于燃燒室的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用了四面體網(wǎng)格，在射流孔周圍進(jìn)行了加密處理，如圖2所示。采用K-ω模型，這種模型適合于大曲率流動(dòng)形式，對(duì)回流區(qū)的計(jì)算效果比較好。燃燒室結(jié)構(gòu)為周期軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小網(wǎng)格數(shù)量，周向取了60度范圍作為計(jì)算域。通過(guò)試算幾種不同網(wǎng)格數(shù)量，選取了100萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算，此網(wǎng)格數(shù)量對(duì)結(jié)果基本沒有影響。計(jì)算精度RMS為10e-5，這個(gè)程度可以進(jìn)行定量的分析。

火焰筒的壁面射流和蒸發(fā)管的射流共同形成燃燒室的流態(tài)，不同的射流孔分布必然對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有影響。射流孔的數(shù)量眾多，如果對(duì)每一組合進(jìn)行研究，勢(shì)必計(jì)算量巨大。各排孔中孔徑大的射流孔影響比較大，因此，選取了外壁第四排孔進(jìn)行面積調(diào)整，而其他孔不變。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為在進(jìn)口流量0.038 kg/s時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)管中央截面速度分布圖，火焰筒壁面孔的分布為表1所示?？梢钥闯鲈谌紵仪岸苏舭l(fā)管出口處形成回流區(qū)，回流區(qū)并沒有形成軸對(duì)稱的雙渦結(jié)構(gòu)。這是由于蒸發(fā)管的射流對(duì)回流區(qū)的形成起到引射作用，從圖中可以看出蒸發(fā)管中的速度要大于外部流場(chǎng)速度。而蒸發(fā)管比較靠近火焰筒外壁，從橫截面看上去形成了馬蹄狀的結(jié)構(gòu)，如圖4中流線的分布所示。從圖3看出，回流區(qū)的旋渦直徑從蒸發(fā)管下端一直到火焰筒內(nèi)壁處。對(duì)于小型燃燒室，由于空間的限制，不容易形成大型燃燒室對(duì)渦結(jié)構(gòu)的回流區(qū)，而形成單渦結(jié)構(gòu)更為可取，這樣更利于旋渦的形成。

圖5所示為同樣流量下，火焰筒外壁第四排孔直徑變?yōu)? mm后的流場(chǎng)圖，從圖中看，流態(tài)結(jié)構(gòu)保持不變，蒸發(fā)管中的流速變慢，由計(jì)算得，蒸發(fā)管射流原來(lái)出口速度21.56 m/s，改孔后為16.0 m/s。這是由于外壁第四排孔的變大，導(dǎo)致通過(guò)蒸發(fā)管的流量減小。蒸發(fā)管中的速度變小會(huì)影響回流區(qū)的切向速度，對(duì)回流的形成不利。第四排孔雖然流量變大，但同時(shí)面積增大，由計(jì)算可得，原來(lái)第四排孔的平均流速為22.3 m/s，改大后，速度為19.5 m/s。流量增加有利于摻混冷卻，但速度降低影響射流深度，會(huì)使摻混不充分，冷卻效果下降。表3為改孔前后各射流孔的流量比例對(duì)比?？梢钥闯?，一排孔的流量變化導(dǎo)致所有孔的流量變化，并且變化比較復(fù)雜，說(shuō)明流量受多種因素影響。

圖6為改孔前模型在不同燃燒室流量下各火焰筒壁面孔的流量變化，從圖中可以看出，隨流量增大，各孔的質(zhì)量百分比趨于穩(wěn)定，變化很小。說(shuō)明這種燃燒室隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，各孔流量分配保持的比較好，這樣在不同工況下，燃燒室都可以保持一個(gè)穩(wěn)定的流態(tài)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬研究可詳細(xì)的了解這種結(jié)構(gòu)燃燒室的流態(tài)及影響因素，采用了蒸發(fā)管射流與火焰孔壁面孔射流共同作用形成回流區(qū)，能夠形成比較好的流態(tài)形式，這為試驗(yàn)改進(jìn)提供了重要指導(dǎo)。

（2）火焰筒壁面孔的分布決定了流量的分配，從而直接影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如何獲得更好的流態(tài)形式，需要深入研究火焰筒的流量分配以及影響流量分配的因素，如射流孔的孔型，間距等。

（3）不同流量時(shí)，隨流量增大，火焰筒壁面各孔流量分配基本穩(wěn)定，這有利于燃燒室保持流態(tài)，以及對(duì)燃燒室燃油流量的調(diào)節(jié)控制等問題帶來(lái)方便。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡真.微型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)建模分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[2] 黃勇，林宇震.燃燒與燃燒室[M].北京：北京航空航天出版社，2009.

[3] 郭德三，單鵬.微型離心甩油環(huán)形折流燃燒室設(shè)計(jì)與數(shù)值研究[C]//中國(guó)航空學(xué)會(huì)第八屆小發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2009.

[4] 李聰，方蜀州，方平.微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室數(shù)值模擬[Z].

[5] 袁有志，王立平，關(guān)立文.微型環(huán)形燃燒室數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47（2）：198-201.

[6] 曾川，王洪銘，單鵬.微渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)離心甩油盤環(huán)形折流燃燒室的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2003，18（1）：92-96.endprint

摘 要：10 cm量級(jí)的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景。緊湊的結(jié)構(gòu)使其燃燒室中回流區(qū)的形成及冷卻氣的混合距離有限，導(dǎo)致燃燒室出口溫度過(guò)高。基于ANSYS/CFX程序平臺(tái)，對(duì)一種直流環(huán)形燃燒室的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析，討論了射流孔的不同流量分布對(duì)回流區(qū)和混合區(qū)的影響，并研究了燃燒室入口不同流量對(duì)射流孔流量分布的影響。結(jié)果表明，數(shù)值模擬能反映出燃燒室流態(tài)的變化，對(duì)微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī) 環(huán)形燃燒室

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0100-03

10 cm量級(jí)的微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)[1]，在一些特殊領(lǐng)域作為動(dòng)力裝置有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊導(dǎo)致燃燒室空間窄小，如何在有限的空間中保證燃燒穩(wěn)定并且有效的進(jìn)行冷氣摻混以降低燃燒室出口溫度，成為這類發(fā)動(dòng)機(jī)研究的關(guān)鍵問題，要解決此問題必須在燃燒室中建立適合小尺寸燃燒室結(jié)構(gòu)的流態(tài)[3]。對(duì)于大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的一些結(jié)構(gòu)并不適用小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，如通常采用的旋流器與射流孔共同形成回流區(qū)來(lái)保證燃燒穩(wěn)定，但在小發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中一般不用旋流器，而是以射流形式形成回流區(qū)[4]。此外，大型發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓力噴油嘴在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上也難以實(shí)現(xiàn)，小型發(fā)動(dòng)機(jī)多采用蒸發(fā)管形式的噴油嘴?；谛⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)的自身特點(diǎn)，導(dǎo)致其燃燒室的設(shè)計(jì)出現(xiàn)多種樣式，從國(guó)內(nèi)外的報(bào)道中可看出燃燒室的結(jié)構(gòu)比較多樣[5]。各種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，如何選取一種性能較佳的燃燒室，只能綜合分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)流場(chǎng)的影響，然后確定不同參數(shù)的影響以改進(jìn)設(shè)計(jì)[6]。

本文利用ANSYS/CFX程序平臺(tái)對(duì)一種直流環(huán)形燃燒室的流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)改變射流孔的面積，對(duì)比分析了燃燒室的流態(tài)變化，并在不同燃燒室進(jìn)口流量下，對(duì)火焰筒壁面射流孔的流量分配進(jìn)行了研究，其結(jié)果可為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算采用的燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示，火焰筒內(nèi)外壁面為圓柱形，外壁直徑96 mm，內(nèi)徑22 mm，軸向長(zhǎng)度70 mm。

這種尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)常采用蒸發(fā)管式噴油嘴，燃料管從后部伸入蒸發(fā)管入口處。燃料進(jìn)入蒸發(fā)管后開始蒸發(fā)并與從蒸發(fā)管后面進(jìn)入的空氣混合。通過(guò)蒸發(fā)管后，燃料與空氣形成均勻的燃料混合物射入到燃燒室，在蒸發(fā)管的射流及火焰筒壁面射流空氣作用下在燃燒室前部形成回流區(qū)，進(jìn)行穩(wěn)定燃燒。

如表1和表2所示，火焰筒外壁布置5排空，內(nèi)壁布置4排孔，各排孔沿圓周均勻分布，其每排孔的個(gè)數(shù)、直徑及距火焰筒前端距離見下表所示。蒸發(fā)管內(nèi)徑6.6 mm，長(zhǎng)62 mm，均勻排布6個(gè)，其位置為圓心處在直徑為81 mm的圓周上。

火焰筒壁面開孔具有對(duì)壁面冷卻、助燃以及形成回流區(qū)的作用，燃燒室后部較大的孔與燃?xì)鈸交爝M(jìn)行冷卻以降低出口燃?xì)鉁囟?。因此，越靠后的孔射流的空氣流量大，尺寸就比較大。上壁面最后一排孔為了吹出死角區(qū)燃?xì)?，防止溫度過(guò)高，需要空氣流量不多，孔徑較小。

2 建立計(jì)算模型

ANSYS/CFX程序平臺(tái)對(duì)工程應(yīng)用起到了重要的輔助作用，其研究結(jié)果可有效的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。選取的計(jì)算模型從燃燒室入口至出口段，該模型試驗(yàn)用的壓氣機(jī)為離心式葉輪，由于尺寸較小，壓力提高的不多，因此出口使用壓力邊界條件，設(shè)為一個(gè)大氣壓，入口以速度為條件。由于燃燒室的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用了四面體網(wǎng)格，在射流孔周圍進(jìn)行了加密處理，如圖2所示。采用K-ω模型，這種模型適合于大曲率流動(dòng)形式，對(duì)回流區(qū)的計(jì)算效果比較好。燃燒室結(jié)構(gòu)為周期軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小網(wǎng)格數(shù)量，周向取了60度范圍作為計(jì)算域。通過(guò)試算幾種不同網(wǎng)格數(shù)量，選取了100萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算，此網(wǎng)格數(shù)量對(duì)結(jié)果基本沒有影響。計(jì)算精度RMS為10e-5，這個(gè)程度可以進(jìn)行定量的分析。

火焰筒的壁面射流和蒸發(fā)管的射流共同形成燃燒室的流態(tài)，不同的射流孔分布必然對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有影響。射流孔的數(shù)量眾多，如果對(duì)每一組合進(jìn)行研究，勢(shì)必計(jì)算量巨大。各排孔中孔徑大的射流孔影響比較大，因此，選取了外壁第四排孔進(jìn)行面積調(diào)整，而其他孔不變。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為在進(jìn)口流量0.038 kg/s時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)管中央截面速度分布圖，火焰筒壁面孔的分布為表1所示?？梢钥闯鲈谌紵仪岸苏舭l(fā)管出口處形成回流區(qū)，回流區(qū)并沒有形成軸對(duì)稱的雙渦結(jié)構(gòu)。這是由于蒸發(fā)管的射流對(duì)回流區(qū)的形成起到引射作用，從圖中可以看出蒸發(fā)管中的速度要大于外部流場(chǎng)速度。而蒸發(fā)管比較靠近火焰筒外壁，從橫截面看上去形成了馬蹄狀的結(jié)構(gòu)，如圖4中流線的分布所示。從圖3看出，回流區(qū)的旋渦直徑從蒸發(fā)管下端一直到火焰筒內(nèi)壁處。對(duì)于小型燃燒室，由于空間的限制，不容易形成大型燃燒室對(duì)渦結(jié)構(gòu)的回流區(qū)，而形成單渦結(jié)構(gòu)更為可取，這樣更利于旋渦的形成。

圖5所示為同樣流量下，火焰筒外壁第四排孔直徑變?yōu)? mm后的流場(chǎng)圖，從圖中看，流態(tài)結(jié)構(gòu)保持不變，蒸發(fā)管中的流速變慢，由計(jì)算得，蒸發(fā)管射流原來(lái)出口速度21.56 m/s，改孔后為16.0 m/s。這是由于外壁第四排孔的變大，導(dǎo)致通過(guò)蒸發(fā)管的流量減小。蒸發(fā)管中的速度變小會(huì)影響回流區(qū)的切向速度，對(duì)回流的形成不利。第四排孔雖然流量變大，但同時(shí)面積增大，由計(jì)算可得，原來(lái)第四排孔的平均流速為22.3 m/s，改大后，速度為19.5 m/s。流量增加有利于摻混冷卻，但速度降低影響射流深度，會(huì)使摻混不充分，冷卻效果下降。表3為改孔前后各射流孔的流量比例對(duì)比。可以看出，一排孔的流量變化導(dǎo)致所有孔的流量變化，并且變化比較復(fù)雜，說(shuō)明流量受多種因素影響。

圖6為改孔前模型在不同燃燒室流量下各火焰筒壁面孔的流量變化，從圖中可以看出，隨流量增大，各孔的質(zhì)量百分比趨于穩(wěn)定，變化很小。說(shuō)明這種燃燒室隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，各孔流量分配保持的比較好，這樣在不同工況下，燃燒室都可以保持一個(gè)穩(wěn)定的流態(tài)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬研究可詳細(xì)的了解這種結(jié)構(gòu)燃燒室的流態(tài)及影響因素，采用了蒸發(fā)管射流與火焰孔壁面孔射流共同作用形成回流區(qū)，能夠形成比較好的流態(tài)形式，這為試驗(yàn)改進(jìn)提供了重要指導(dǎo)。

（2）火焰筒壁面孔的分布決定了流量的分配，從而直接影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如何獲得更好的流態(tài)形式，需要深入研究火焰筒的流量分配以及影響流量分配的因素，如射流孔的孔型，間距等。

（3）不同流量時(shí)，隨流量增大，火焰筒壁面各孔流量分配基本穩(wěn)定，這有利于燃燒室保持流態(tài)，以及對(duì)燃燒室燃油流量的調(diào)節(jié)控制等問題帶來(lái)方便。

參考文獻(xiàn)

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[3] 郭德三，單鵬.微型離心甩油環(huán)形折流燃燒室設(shè)計(jì)與數(shù)值研究[C]//中國(guó)航空學(xué)會(huì)第八屆小發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2009.

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[6] 曾川，王洪銘，單鵬.微渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)離心甩油盤環(huán)形折流燃燒室的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2003，18（1）：92-96.endprint