主燃孔射流對燃燒室燃燒性能影響的數值研究

林宏軍(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所 預先研究總體設計部，沈陽 110015)

航空發(fā)動機主燃燒室中的大孔(主燃孔或摻混孔)射流空氣對于燃燒室內形成低速燃燒區(qū)域，增強油氣摻混、控制燃燒強度，獲得良好燃燒性能具有重要的作用[1-2]。以往由于摻混孔射流對主燃燒室出口溫度場具有調節(jié)作用，摻混孔對燃燒室影響規(guī)律研究已成為主燃燒室工程設計上所關注的重點問題[3-6]，而主燃孔射流對燃燒區(qū)流場特性和燃燒特性影響的相關研究卻相對較少。隨著先進低污染RQL(富油燃燒-猝熄-貧油燃燒)主燃燒室研發(fā)[7-8]，主燃孔射流對燃燒室流場和燃燒特性(尤其是污染排放)的影響再次引起了工程技術人員的關注[9-10]。

常規(guī)燃燒室的主燃區(qū)作為油氣摻混和燃油燃燒的主要區(qū)域，其流場的特征和燃燒特性將直接影響主燃燒室的綜合性能。Lefebvre[11]認為，作為一般準則，主燃孔射流從少數幾個大孔射入將可以獲得最好的燃燒穩(wěn)定性，而對于環(huán)形燃燒室，雖未明確制定火焰筒射流孔最佳數量的選取準則，但是每個燃油噴嘴對應一對相對的孔被認為是最低的設計要求，而采用兩倍數量的大孔將更為合適；Dodds和Bahr[12]則強調，旋流器出口氣流、主燃孔射流和冷卻氣流的相互作用是影響燃燒的重要因素，主燃區(qū)作為燃燒室內污染物排放的主要來源，研究射流對主燃區(qū)的影響，對主燃燒室排放的評定具有重要意義;Noyce 等人[13]則指出，主燃孔射流的射入方式對燃燒室出口的污染物排放水平產生主要的影響；金如山等人[14]則指出影響RQL燃燒室排放的關鍵在于射流空氣的動量密流比J，而射流區(qū)的進口環(huán)高和射流空氣的動量密流比J可以通過CFD進行初步設計。由此可見，采用數值模擬技術開展主燃孔射流對主燃區(qū)燃燒流場影響的研究對于評估主燃燒室燃燒性能和排放水平，指導航空發(fā)動機主燃燒室的設計具有重要意義。

1 計算模型和研究參數

1.1 簡化的燃燒室計算模型

為了更好地研究主燃孔射流對主燃區(qū)燃燒流場和燃燒性能的影響，避免主燃燒室火焰筒中其它結構參數對研究結果產生的影響，在研究中采用簡化的模型燃燒室(如圖1所示)，模型燃燒室主要由雙級旋流器和帶有大孔(模擬火焰筒主燃孔)的火焰筒構成，且燃燒室的頭部和火焰筒壁均未布置冷卻孔。

模型燃燒室的橫截面為邊長a=77 mm的正方形，燃燒室的總長度為300 mm。頭部所采用的雙級旋流器能夠產生同軸、反旋的空氣旋流，燃燒室采用離心噴嘴進行供油。研究中將旋流器出口平面作為研究的基準平面(0平面)，沿火焰筒的軸線取4個射流平面(S1～S4平面)，相鄰兩個平面間距為25 mm；每個射流平面上設計有兩個正對的射流孔，射流孔為直徑φ13 mm的平孔。

圖1 燃燒室簡化模型和關鍵截面示意圖

1.2 研究方案

研究中主要考慮射流平面到旋流空氣出口(0平面)的相對位置、主燃孔的進氣結構對燃燒室主燃區(qū)中的回流區(qū)流場形狀和燃燒特性的影響規(guī)律。模型燃燒室的進口狀態(tài)參數、射流空氣與主流的流量比及具體的研究方案如表1所示。

表1 計算狀態(tài)和燃燒室模型方案

(1)在射流位置的研究方面，選擇距離旋流器出口(基準平面)1S～4S的4個射流位置方案，主燃孔采用無進氣斗的平孔，將4個方案計算所獲得的射流燃燒結果與無射流的燃燒室流場和燃燒特性進行對比分析。

(2)在主燃孔的進氣結構研究方面，主燃孔采用了如圖2所示的帶有進氣斗的結構，即主燃孔上將有部分進氣結構伸入火焰筒內，其中進氣斗a的前端伸入火焰筒，在射流空氣前形成保護，增加射流深度的同時，將射流向主燃孔的下游進行引流。而進氣斗b的后端伸入火焰筒內，在射流空氣后形成阻礙，增加射流深度的同時，將射流向主燃孔的上游引流，射流空氣將與來流空氣產生對沖效應。在研究中將對a，b兩種帶有進氣斗結構的主燃孔射流對主燃區(qū)流場和燃燒特性的影響與相同位置平孔射流的計算結果進行對比分析。

圖2 帶有進氣斗的主燃孔結構圖

2 計算方法

研究中首先針對基準方案A的模型燃燒室主燃區(qū)的速度場(主要是回流區(qū))進行了計算，并利用試驗數據對采用不同湍流模型的數值模擬方法進行了評估。PIV測試獲得的模型燃燒室局部區(qū)域(旋流器出口平面Z方向75*115 mm區(qū)域)的軸向速度場與采用不同湍流模型計算獲得的流場開展了對比(如圖3、4所示)。通過對比可知：(1)研究所選用的湍流模型可以基本適用于燃燒室流場的計算；(2)采用標準κ-ε模型所計算的模型燃燒室的回流區(qū)和流場特性更接近試驗的結果[15-16]。因此在后續(xù)數值模擬中采用基于壓力的隱式求解器和標準k-ε紊流模型對N-S方程進行求解，從而獲得燃燒室的流場形態(tài)。

圖3 標準κ-ε模型計算流場與PIV獲得軸向速度場(Z方向)對比

圖4 Realizable κ-ε模型計算流場與PIV獲得軸向速度場(Z方向)對比

在航空發(fā)動機主燃燒室的計算中，PDF作為一種噴即燃的燃燒模擬方法，能夠清晰地展現火焰交界的位置和溫度場的結構[17],所以在計算中采用非預混燃燒和非預混化學平衡反應PDF模型對燃燒場進行求解。同時在計算中選取燃燒室入口和射流入口為質量流量入口，燃燒室出口設為設置壓力出口。計算中將空氣作為不可壓理想流體處理,選用Jet-A型噴氣燃料(ASTM-1655)，該燃料與RP-3燃料(GB6537-94)的性質相當接近,而近壁處理則采用標準的壁面函數，采用P-1輻射模型[18-19]。

3 計算結果分析

3.1 射流位置對燃燒流場性能的影響

方案A～E主要針對模型燃燒室軸線上不同位置的主燃孔射流對其燃燒場的影響開展了對比研究。計算獲得了如圖5所示的模型燃燒室軸向速度場云圖，其中黃色區(qū)域為回流區(qū)(軸向速度≤0 m/s)。對比5個方案的中截面軸向速度場云圖，可以看出主燃孔射流對于截斷主流，促進回流區(qū)的形成具有一定的作用。

當射流位置距旋流器套筒出口平面的距離增大，回流區(qū)的長度和低速區(qū)的面積呈現先減小后增大的趨勢。分析認為當射流位置距套筒出口平面較近時，射流空氣對主流產生截斷作用，回流區(qū)長度有所減短，但射流對原旋流空氣的回流區(qū)進行了擠壓，致使回流區(qū)截面的寬度變小，回流區(qū)長度相對增大，致使B方案的回流區(qū)較C、D、E方案增長。而對于現有的旋流器結構，在1S截面設置主燃孔射流(B方案)，雖然可以一定程度上減小回流區(qū)的長度但效果并不明顯。當主燃孔射流位置距套筒出口平面的距離進一步增大(D、E方案)，射流對主流的截斷效果逐漸減弱，回流區(qū)長度增長，截面寬度變大，這意味著主流空氣的駐留時間將有所增加，將有助于燃料與空氣的混合和燃燒，從而提高燃燒的效果。結合B～E方案回流區(qū)域的溫度場分布情況(見圖6所示)也可以看出主燃孔射流對主流的截斷作用，以及引起的頭部燃燒的增強，但隨射流位置距套筒出口平面距離的增大，高溫燃燒區(qū)域逐漸的增大，大量的燃燒出現模型燃燒室的中后部，燃燒室內部所對應的平均燃燒溫度則相對有所降低。

圖5 A～E方案中截面軸向速度和回流區(qū)對比

圖6 計算獲得的A～E方案的中截面溫度分布

研究中選取距離旋流器套筒出口平面200 mm的截面作為燃燒性能研究的關鍵截面(注:截面到旋流器套筒出口的距離與火焰筒頭部高度比與常規(guī)燃燒室設計所對應的數值基本一致)，計算獲得相應截面的溫度分布系數OTDF和NOx排放的數值如圖7所示。

圖7 A～E方案軸線200 mm平面上的OTDF和NOx排放

結合圖5 分析認為隨著射流的加入，主燃孔射流對主燃區(qū)的燃燒流場產生了影響，射流與回流區(qū)產生相互作用，燃料與空氣的混合和燃燒增強,燃燒效果提升，燃燒溫度分布趨于均勻,射流位置為1S、2S 時，模型燃燒室獲得了較好的燃燒出口溫度分布。隨著射流位置遠離主燃區(qū)，射流空氣的作用減弱，出口溫度分布變差，尤其是4S時射流位置距關鍵截面距離過近，在射流空氣對主燃區(qū)影響減弱的同時，對關鍵截面產生的影響更為直接，OTDF參數急劇變差。同時結合燃燒溫度分布云圖(圖6)對比分析關鍵截面的NOx排放數值，可以看出射流對主流的截斷作用導致燃燒室頭部出現局部高溫區(qū)，使其NOx排放有所增加，但隨著射流位置距離套筒出口平面距離的增大，其高溫燃燒區(qū)域增大，平均燃燒溫度相對降低，因此NOx的排放水平隨著燃燒室平均燃燒溫度的降低而相應的降低。

3.2 進氣結構對燃燒流場性能的影響

在相同的射流位置和射流強度下,針對不同的射流孔進氣孔結構(方案I/J)對模型燃燒室的燃燒性能影響進行了計算和分析,圖8、9為計算獲得的燃燒室中截面速度場和溫度場分布云圖。

從速度場的分布可以看出采用伸入燃燒室的導流結構,其射流的穿透深度較無導流結構(方案C)將有所增加，但主燃孔進氣結構對射流的導流方向不同，流場的形態(tài)也略有不同：當向后導流時(I方案)，回流區(qū)的后端受到射流擠壓,回流區(qū)長度較平孔結構有所減短，回流區(qū)較為飽滿；而向前導流時(J方案)，回流區(qū)的中部受到射流擠壓,且擠壓強度較平孔方案增強,回流區(qū)被擠壓加長。分析認為，射流孔為進氣斗結構時，有助于增加射流的深度和強度，進而增大其對燃燒室流場的影響。當進氣斗向后導流時，射流主要作用于空氣旋流回流區(qū)的下游流場，射流強度受到前端導流部的限制，對空氣旋流回流區(qū)的影響相對較弱；而進氣斗向前導流時，射流主要作用于空氣旋流回流區(qū)上中游流場，后端導流部分的深入長度較大，則其射流強度增大，射流對燃燒室流場的影響則相對增強。參考圖9所示的溫度分布可以看出采用不同導流結構時,隨著射流強度的增大,燃燒室頭部將出現較為集中的高溫燃燒區(qū),射流區(qū)域則出現局部低溫燃燒區(qū)。當主燃孔進氣結構為向前導流與向后導流及無導流結構相比,燃燒室頭部的高溫燃燒區(qū)則更加的集中,而射流區(qū)域的低溫燃燒區(qū)則變得更加明顯。

圖8 C/I/J方案中截面軸向速度和回流區(qū)對比

圖10是不同導流結構下的燃燒室性能的對比情況,從中可以看出隨著導流結構下射流強度的增強,射流對燃燒室的燃燒性能影響逐漸增強,尤其是回流區(qū)的長度變化將直接導致燃燒室截面的溫度分布明顯的變差。同時參考圖9可知，隨著射流強度的增大,頭部回流區(qū)內燃燒范圍變小，燃燒強度加強,出現高溫燃燒區(qū)域，導致燃燒室的NOx排放亦相應的提高。

圖9 計算獲得C/I/J方案的中截面溫度分布

圖10 C/I/J方案在軸線200 mm平面的OTDF和NOx排放的計算數值對比

4 結論

基于簡化的燃燒室模型,針對主燃孔射流對燃燒室主燃區(qū)流場、溫度場和綜合燃燒性能的影響進行了研究，通過多方案的數值模擬和對比分析,主要獲得如下結論：

(1)主燃孔射流將有助于縮短主燃區(qū)空氣回流區(qū)的長度，同時將對燃燒室的出口溫度分布和NOx排放產生直接的影響。射流空氣對于調節(jié)燃燒室的出口溫度分布,提升燃燒性能具有一定的益處,但高強度的射流引入也會導致局部區(qū)域產生高溫燃燒區(qū),致使NOx排放提高；

(2)當射流空氣作用于旋流回流區(qū)的前中部時，將破壞流場回流區(qū)的形態(tài),引起燃燒性能變差,因此在燃燒室設計中應充分參考頭部旋流回流區(qū)的結構和位置,選取合適的射流位置,以便獲得較好的燃燒性能；

(3)采用伸入流場內具有導流功能的進氣結構,將增強主燃孔射流對燃燒室流場的影響，不同的導流結構將決定燃燒室流場和回流區(qū)的形態(tài),從而影響燃燒室的燃燒特性,總體看導流結構引起射流強度的過度增大,將引起燃燒室的燃燒特性變差,因此在設計中采用射流導流結構應充分考慮其對空氣回流區(qū)的影響。

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