航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室跨流氣冷穩(wěn)定器流場研究

劉 濤，張孝春，徐興平，游慶江，李江寧，何小民

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室跨流氣冷穩(wěn)定器流場研究

劉 濤1，張孝春1，徐興平1，游慶江1，李江寧1，何小民2

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

針對1種航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室用引氣冷卻的跨流穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)形式，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型數(shù)值模擬方法，對其流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與封閉風(fēng)洞中PIV流場測試結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：跨流氣冷穩(wěn)定器流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈3維分布，環(huán)形穩(wěn)定器后方的流場結(jié)構(gòu)與普通鈍體的類似，帶后掠角的徑向穩(wěn)定器后方回流區(qū)與環(huán)形穩(wěn)定器回流區(qū)互相耦合為整體，與沿環(huán)形穩(wěn)定器展向的回流區(qū)形成高度一體的復(fù)雜回流區(qū)結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的低速區(qū)，起到良好的火焰穩(wěn)定作用。

跨流氣冷穩(wěn)定器；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；加力燃燒室；PIV測試；回流區(qū)；流場

0 引言

加力燃燒室的技術(shù)進(jìn)步與火焰穩(wěn)定器的發(fā)展密切相關(guān)。目前，高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室進(jìn)口溫度已達(dá)到1200 K以上，接近了材料使用溫度極限，需要引入冷卻氣體才能保證火焰穩(wěn)定器可靠工作。鈍體后流動(dòng)研究已有上百年歷史。1911年通過系統(tǒng)研究鈍體繞流問題首次提出了“卡門渦街”理論，具有里程碑意義。Gerrard和Coutancean等對尾跡中渦街形成機(jī)制進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究；Taylor利用LDV對圓盤和錐形穩(wěn)定器的受限流進(jìn)行了研究，探討了回流區(qū)長度、寬度、速度場、脈動(dòng)場、回流率等流場特征[2]；Raffoul也利用LDV對2維鈍體穩(wěn)定器近尾跡流進(jìn)行了測量，得到了速度場、脈動(dòng)場的分布規(guī)律，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比[3-4]；張孝春、錢壬章等對中縫穩(wěn)定器流場進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，對穩(wěn)定器后方漩渦脫落尺度及脫落機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5-7]。這些研究都是基于鈍體前方來流是均一流場而展開的，缺乏對引氣后鈍體后方流場形態(tài)的研究。

本文針對跨流氣冷穩(wěn)定器引氣后流場結(jié)構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬與封閉風(fēng)洞中PIV方法進(jìn)行對比研究。

1 跨流氣冷穩(wěn)定器數(shù)值模擬

1.1 跨流氣冷穩(wěn)定器

在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，加力燃燒室進(jìn)口分為內(nèi)、外涵2股氣流，經(jīng)過混合器混合后才能組織燃燒，其后布置火焰穩(wěn)定器。傳統(tǒng)的V型槽穩(wěn)定器處于內(nèi)涵或混合后的均一來流條件下，本文研究的跨流氣冷穩(wěn)定器置于內(nèi)、外涵之間，其模型如圖1所示。由于該穩(wěn)定器置于內(nèi)、外涵之間，使其有別于傳統(tǒng)穩(wěn)定器的工作方式。通過引氣裝置將外涵氣流引入環(huán)形穩(wěn)定器和徑向穩(wěn)定器內(nèi)對穩(wěn)定器形成冷卻，同時(shí)外涵氣流通過穩(wěn)定器后與內(nèi)涵氣流進(jìn)行混合，參與燃燒。

圖1 跨流氣冷穩(wěn)定器

1.2 湍流模型

描述流動(dòng)特征的湍流模型較多，主要有零方程模型、單方程模型、雙方程模型、雙尺度湍流模型、雷諾應(yīng)力模型、代數(shù)應(yīng)力模型和隨機(jī)渦模型等。本研究采用工程上普遍采用的雙方程模型。

湍流動(dòng)能定義為

式中：k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；l為湍流尺度；u、v、w 為速度分量。

湍流黏性系數(shù)μt定義為

式中:Cμ為常數(shù)；ρ為密度。

κ-ε雙方程模型則用2個(gè)偏微分方程來描述湍流。

湍流動(dòng)能k的輸運(yùn)方程

式中：σk＝1.0。

湍流動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程

式中：C1=1.44；C2=1.92；σε=1.3。

1.3 計(jì)算模型建立

穩(wěn)定器所處的流動(dòng)通道橫截面為180 mm×90 mm的矩形通道，計(jì)算模型總長458 mm，其中穩(wěn)定器后長300mm。在網(wǎng)格劃分時(shí)，在穩(wěn)定器后100mm處把整個(gè)通道劃分為2部分，穩(wěn)定器前段由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，后段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且網(wǎng)格較大。中間面為結(jié)構(gòu)化過渡面。整個(gè)通道模型如圖2所示。由于穩(wěn)定器流動(dòng)通道中速度系數(shù)較小，按不可壓流來處理。穩(wěn)定器表面和流道外邊界設(shè)置為固體表面，并用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)進(jìn)行模擬。

圖2 計(jì)算通道模型

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明，跨流氣冷穩(wěn)定器流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在穩(wěn)定器不同截面位置其流場形態(tài)各異。跨流氣冷穩(wěn)定器有著十分獨(dú)特的流場結(jié)構(gòu)，徑向穩(wěn)定器截面、環(huán)形穩(wěn)定器截面和環(huán)形穩(wěn)定器后方的橫截面是研究其流場結(jié)構(gòu)的3個(gè)典型截面。3個(gè)截面與穩(wěn)定器的相對關(guān)系如圖3所示。

圖3 穩(wěn)定器典型截面

跨流氣冷穩(wěn)定器后方典型截面的流場形態(tài)如圖4～6所示。徑向穩(wěn)定器與環(huán)形穩(wěn)定器組合成一體，在徑向穩(wěn)定器后方形成1個(gè)大復(fù)合回流區(qū)。回流中心在環(huán)形穩(wěn)定器后方偏下位置，回流區(qū)體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鈍體的體積，回流區(qū)內(nèi)的低速氣流為保持火焰穩(wěn)定提供良好的條件。

圖4 環(huán)形穩(wěn)定器后典型流場

從圖4中可見，環(huán)形穩(wěn)定器后方流場形態(tài)與普通鈍體后方流場結(jié)構(gòu)類似，其回流區(qū)長度約為穩(wěn)定器槽寬的2.3倍。

圖5 徑向穩(wěn)定器后典型流場

從圖5中可見，徑向穩(wěn)定器和主穩(wěn)定器之間形成1個(gè)完整的大回流區(qū)，徑向穩(wěn)定器隔板后的流動(dòng)呈下洗狀態(tài)，有利于點(diǎn)火環(huán)穩(wěn)和徑穩(wěn)流動(dòng)的相互摻混。

氣冷穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)不對稱，上壁為平直壁與來流無夾角，下壁則與普通V型穩(wěn)定器相同。環(huán)形穩(wěn)定器橫截面形狀也有變化，特別是徑向穩(wěn)定器的存在，使流場呈現(xiàn)高度的3維分布。環(huán)穩(wěn)橫截面的流場如圖6所示。從圖6中可見，環(huán)形穩(wěn)定器橫截面流動(dòng)形態(tài)與普通鈍體的差別較大，其尾緣的渦流和漩流明顯增強(qiáng)，且流動(dòng)方向與主氣流方向相反?；亓鲄^(qū)連接了徑向穩(wěn)定器兩側(cè)的主穩(wěn)定器尾流，將這2個(gè)區(qū)域連成一體，對氣冷穩(wěn)定器的整體火焰穩(wěn)定起到非常積極的作用。

圖6 環(huán)形穩(wěn)定器橫截面典型流場

引氣冷卻穩(wěn)定器在不同截面如徑向穩(wěn)定器后方、主穩(wěn)定器后方以及沿主穩(wěn)定器展向方向上，回流區(qū)的形狀并不一樣，各截面、方向、高度上不同的回流區(qū)之間高度耦合，起到良好的火焰穩(wěn)定作用。

3 PIV流場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

跨流氣冷穩(wěn)定器流動(dòng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)在一封閉風(fēng)洞中進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。系統(tǒng)包括2套氣路，分別模擬穩(wěn)定器進(jìn)口的內(nèi)、外涵流道。內(nèi)涵流道包括壓氣機(jī)1、調(diào)節(jié)閥門、孔板、電加溫器等，外涵流道包括壓氣機(jī)2、調(diào)節(jié)閥門、孔板等。系統(tǒng)中2路流量都采用孔板測量，穩(wěn)定器下游流場采用PIV測量，測量窗口為90mm×90mm。PIV測試系統(tǒng)包括脈沖激光裝置、高速相機(jī)和示蹤粒子發(fā)生器。示蹤粒子在穩(wěn)定器上游的內(nèi)、外涵道中加入。由小壓氣機(jī)將高壓氣（高于內(nèi)、外涵流道即可）供入粒子容器底部，出口分2路，分別通往內(nèi)、外涵道，每一路上都裝有調(diào)節(jié)閥門，用來控制粒子流量。在試驗(yàn)中，內(nèi)涵流道空氣利用電加溫器加溫至573 K，外涵空氣保持常溫。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 測試位置

圖8 PIV測試截面

在4個(gè)截面進(jìn)行流場測量，截面位置如圖8所示。第1、2個(gè)位置都包括了徑向和環(huán)形穩(wěn)定器，第1個(gè)位置在穩(wěn)定器中間截面，第2個(gè)位置在徑向穩(wěn)定器出氣處；第3、4個(gè)位置僅包括環(huán)形穩(wěn)定器，第3個(gè)位置環(huán)穩(wěn)不出氣，第4個(gè)位置在環(huán)穩(wěn)出氣處。

3.3 測試結(jié)果及分析

引氣冷卻穩(wěn)定器4個(gè)截面均有明顯的回流區(qū)，各截面存在1個(gè)主回流區(qū)。其時(shí)均場流場結(jié)構(gòu)如圖9所示。從尺度上看，從截面1～4，徑向回流區(qū)范圍變??；軸向，由于PIV視角所限，沒有把整個(gè)回流區(qū)拍出來，但從流線上看，截面2回流區(qū)渦心的軸向位置最遠(yuǎn)，其次是截面1，截面3、4的回流區(qū)軸向位置較小?；亓鲄^(qū)長度與穩(wěn)定器槽寬之比均大于2，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為符合。

圖9 不同測試截面的時(shí)均場

徑向穩(wěn)定器后方存在的下洗流動(dòng)是引氣冷卻帶有后掠傾角徑向穩(wěn)定器所特有的。沿徑向穩(wěn)定器的流動(dòng)，可將主穩(wěn)定器后方的高溫燃?xì)饬鲗?dǎo)入徑向穩(wěn)定器后方，擴(kuò)大了值班火焰區(qū)域及穩(wěn)定邊界，提高了穩(wěn)定范圍。

截面2對應(yīng)于徑向穩(wěn)定器的開槽位置，從槽縫處流出的氣流對回流區(qū)有一些影響：與截面1相比，縫隙氣流使回流區(qū)往下游移，同時(shí)出流分成上下2路，一路往下游環(huán)形穩(wěn)定器方向流動(dòng)，這會(huì)往下壓縮回流區(qū)；另一路往主流方向流動(dòng)，這對回流區(qū)有加強(qiáng)作用。但總體而言，這種影響不大，只是截面1的回流區(qū)更靠近穩(wěn)定器。

截面4對應(yīng)于環(huán)形穩(wěn)定器的開槽位置，與截面3相比，從槽縫處流出的氣流破壞了原回流區(qū)，形成2個(gè)較明顯的回流區(qū)，在不同的瞬態(tài)過程中，2個(gè)回流區(qū)會(huì)合并為一體，但回流區(qū)在流出氣流的作用下往下游移了一段距離。

4 結(jié)論

（1）跨流氣冷穩(wěn)定器依靠環(huán)形穩(wěn)定器和徑向穩(wěn)定器組合的回流區(qū)組織燃燒，在較小的燃油流量下，可建立起穩(wěn)定的點(diǎn)火源，起到值班穩(wěn)定器作用。

（2）引氣冷卻穩(wěn)定器的環(huán)形穩(wěn)定器后方流場形態(tài)與普通鈍體后方流場結(jié)構(gòu)類似，主回流區(qū)長度與穩(wěn)定器槽寬之比為2.0～2.3。

（3）帶后掠角的徑向穩(wěn)定器和主穩(wěn)定器之間形成1個(gè)完整的大回流區(qū)，徑向穩(wěn)定器隔板后的流動(dòng)呈下洗狀態(tài)。

（4）跨流氣冷穩(wěn)定器在不同截面如徑向穩(wěn)定器后方、主穩(wěn)定器后方以及沿主穩(wěn)定器展向方向上，回流區(qū)的形狀并不一樣，各回流區(qū)之間高度耦合，相互聯(lián)系，成為不可分割的整體。

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美國完成多燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)

據(jù)美國《無人機(jī)網(wǎng)站》2014年3月4日報(bào)道，軌道公司宣布成功完成了下一代無人機(jī)多燃料推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)將滿足因斯圖公司所有的軍民用無人機(jī)客戶，項(xiàng)目總價(jià)值450萬美元。

因斯圖公司是波音公司的子公司，也是全世界最大和最有經(jīng)驗(yàn)的無人系統(tǒng)運(yùn)營商。目前，軌道公司開始生產(chǎn)原型機(jī)的硬件，以支持該推薦系統(tǒng)的地面試驗(yàn)和最終的飛行試驗(yàn)。完成該項(xiàng)目還要經(jīng)過幾輪迭代，之后的發(fā)展和驗(yàn)證階段工作需要因斯圖和軌道公司密切合作。

下一代發(fā)動(dòng)機(jī)可使用多種燃料（汽油、JP5和JP8），將成為世界范圍內(nèi)性能最先進(jìn)的小型無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用了當(dāng)今最小、最輕的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。該發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃在2014年年底之前進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

（中航工業(yè)動(dòng)力所 孟令揚(yáng)）

Study on Flow field of Air Cooled Flameholder for Aeroengine Afterburner

LIU Tao1,ZHANG Xiao-chun1,XU Xing-ping1,YOU Qing-jiang1,LIJiang-ning1,HE Xiao-m in2
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;2.College of Energy and Power,Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics,Nanjing 210016,China）

Aiming at the air cooled flameholder structure of an aeroengine afterburner,the flowfield structure was analyzed by the standard k-εtuebulencemodel,and the resultswere compared between the simulation calculation and the PIV measurement.The results show that the flowfield structure ofair cooled flameholder is complicated,and the flowfield distributeswith 3D structure.Flowfield structures of ring flameholder are similar as recirculation zones of V-gutter.Recirculation zones of radial flameholderwith sweepback are coupled with ring flameholder.Recirculation zones of ring flameholder in spanwise form a huge integrated complex flowfield with recirculation of ring flameholderas low velocity zones,which stabilize the flame.

flameholder;aeroengine;afterburner;PIV measurement;recirculation zone；flowfield

V231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.006

2013-03-10 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

劉濤（1982），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室設(shè)計(jì)工作；E-mail:my8487118@outlook.com。

劉濤，張孝春，徐興平，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室跨流氣冷穩(wěn)定器流場研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，40（3）:29-33.LIU Tao,ZHANG Xiaochun,XU Xingping,etal.Study on flowfield of air cooled flameholder for aeroengine afterburner[J].Aeroengine,2014,40（3）：29-33.