帶中心楔體的三通道駐渦燃燒室數(shù)值優(yōu)化*

姚 婷,劉景源

(南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院, 南昌 330063)

0 引言

由于駐渦燃燒室(TVC)能夠高效地進(jìn)行燃燒組織,可進(jìn)行分區(qū)燃燒,具有較強(qiáng)的燃燒穩(wěn)定性、較高的燃燒效率和較低的NOx排放量,并且結(jié)構(gòu)簡單、重量輕,已經(jīng)成為燃燒室研究的熱點(diǎn)[1-3]。目前能夠產(chǎn)生駐渦的燃燒室結(jié)構(gòu)有3種,一種是利用燃燒室壁面的凹腔結(jié)構(gòu)形成駐渦[4],另一種是燃燒室內(nèi)置的鈍體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生駐渦[5],最后一種就是上述兩種結(jié)構(gòu)的組合[6]。

對壁面凹腔駐渦燃燒室,文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,受凹腔前后壁面的遮擋,即使主流來流流速高達(dá)150 m/s,TVC仍可正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[8-10]的研究表明,壁面凹腔駐渦燃燒室具有較大的吹熄極限。Agarwal等[11]利用導(dǎo)流片將部分主流引入凹腔提高TVC的燃燒效率。Haynes等[12]研究了預(yù)混條件下壁面凹腔TVC污染物排放情況,發(fā)現(xiàn)與常規(guī)燃燒室相比,TVC的NOx排放降低了近60%;Armstrong等[13]將TVC應(yīng)用到微型燃燒室中,發(fā)現(xiàn)加入TVC后的燃燒室出口NOx比原燃燒室要小,污染物排放最多降低了近30%。

對鈍體結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室,孫海俊等[14]對后鈍體開口與否分別進(jìn)行了燃燒模擬,發(fā)現(xiàn)后鈍體開口時(shí)凹腔溫度高,駐渦穩(wěn)定性好,但燃燒效率不高;王志凱等[15]將導(dǎo)流片應(yīng)用到鈍體結(jié)構(gòu)TVC中,數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流片能夠在不引入射流的前提下在凹腔內(nèi)能夠形成雙渦結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高了燃燒效率，降低了NOx排放。

為了提高燃燒效率,無論是壁面凹腔或鈍體結(jié)構(gòu)TVC,均需采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)等形式[11, 15-16],提高主流與高溫燃?xì)忾g的摻混。對壁面凹腔與鈍體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的TVC,文獻(xiàn)[17]僅把主流雙通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)改進(jìn)為三通道進(jìn)氣,利用中間通道來流將原先大尺度的中間回流區(qū)一分為二,避免了局部高溫的存在,降低了NOx的生成。實(shí)驗(yàn)表明,三通道進(jìn)氣比雙通道進(jìn)氣燃燒室的NOx排放含量顯著降低。但該文獻(xiàn)僅對壁面凹腔與鈍體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的非預(yù)混TVC進(jìn)行了研究,未對三通道進(jìn)氣在鈍體結(jié)構(gòu)TVC上的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的探索研究。在此基礎(chǔ)上,文中提出一種帶中間楔體的三通道進(jìn)氣TVC,應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等優(yōu)化方法,研究了TVC幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒室性能的影響,從而得到適用于鈍體結(jié)構(gòu)的TVC最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),為工程應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)值模擬模型及研究方案

1.1 幾何模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

帶中心楔體的三通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)駐渦燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示。其中,燃燒室內(nèi)外徑分別為600 mm、800 mm,長度S=400 mm;上下兩進(jìn)氣通道徑向高度均為a=10 mm,中間通道高度b=20 mm,前后兩對鈍體均關(guān)于中心通道對稱,前鈍體軸向長度c=40 mm,徑向高度H1=30 mm,后鈍體厚度d=10 mm。選楔體的角度θ,長度D,楔體距離前鈍體的距離L2以及后鈍體高度H2,后鈍體距離前鈍體的距離L15個(gè)幾何參數(shù)為研究對象。

圖1 帶中心楔體的三通道進(jìn)氣TVC幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.2 邊界條件及網(wǎng)格無關(guān)性分析

數(shù)值模擬方法見文獻(xiàn)[15]。其中化學(xué)當(dāng)量比取為0.6。燃燒室進(jìn)口采用的邊界條件為速度60 m/s、溫度300 K;燃燒室出口取為2個(gè)大氣壓強(qiáng)。

為驗(yàn)證對帶中心楔體的三通道駐渦燃燒室網(wǎng)格劃分的合理性,圖2(a)、圖2(b)分別給出了網(wǎng)格數(shù)為13萬及26萬下燃燒室出口的徑向溫度分布以及徑向壓強(qiáng)分布(由于燃燒室的軸對稱性,數(shù)值模擬取軸對稱形式的幾何結(jié)構(gòu)及數(shù)值方法)。從圖中可見,網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為13萬即滿足文中數(shù)值模擬的要求。

圖2 13萬及26萬網(wǎng)格燃燒室出口溫度及壓強(qiáng)對比

2 TVC正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,以燃燒效率和總壓損失系數(shù)作為燃燒室性能評價(jià)指標(biāo),研究楔體角度θ,楔體長度D,楔體距離前鈍體的距離L2以及后鈍體高度H2,后鈍體距離前鈍體的距離L15個(gè)因素(見圖1)對TVC性能的影響。中心楔體通過分流將中間通道的低溫未燃混氣與后鈍體后方高溫區(qū)摻混,以達(dá)到提高燃燒效率的目的,因此L2不宜太大;但L2過小,對后鈍體后方的渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈干擾,不利于燃燒室穩(wěn)定燃燒,由此L2/H1取2～4。楔體角度θ小于10°時(shí),分流作用較弱,燃燒效率很低;楔體角度θ大于80°時(shí),楔體附近流線彎曲變大,低速區(qū)增大,總壓損失較大,由此θ取10°～80°。楔體長度D太小無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定火焰及分流,D太大會擠壓后鈍體附近流線及渦結(jié)構(gòu)并造成較大的損失,由此D/S取0.5%～3.5%。后鈍體主要是為了穩(wěn)定駐渦及降低損失,其高度過小或過大均達(dá)不到目的,因此H2/H1取0.4～0.9。凹腔寬度過大,低速區(qū)增大,湍動能增大,總壓損失較大;凹腔寬度太小,與主流作用減弱,燃燒效率降低,由此L1/H1取0.4～2。

綜合考慮燃燒室的結(jié)構(gòu)尺寸,各因素選取5個(gè)水平。正交試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

為了能夠更好地分析矩形開口諧振環(huán)的共振特性，從LC諧振電路的角度進(jìn)行分析。開口環(huán)的基本共振模式可以等效為獨(dú)立LC共振器的集合響應(yīng)，共振頻率公式[13-17]為：

表1 TVC正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2 TVC正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 極差分析

對燃燒室性能指標(biāo)η及σ的極差分析如表3所示。其中,kj表示j水平所對應(yīng)的所有試驗(yàn)的平均值;極差R表示某因素所有水平對應(yīng)的最大值與最小值之差。

表3 TVC燃燒效率及總壓損失的極差

從表3可見,以燃燒效率η作為評價(jià)指標(biāo),影響η的主要因素為θ及H2/H1;D/S及L2/H1則對η的影響較小,而L1/H1的影響最小。以總壓損失系數(shù)σ作為評價(jià)指標(biāo),影響σ的主要因素為L2/H1和θ,其次為D/S、L1/H1,影響最小的為L2/H1。對比兩個(gè)不同評價(jià)指標(biāo)可得,楔體角度θ以及后鈍體高度H2/H1始終是主要影響因素,總壓損失系數(shù)的最次要影響因素是楔體距離前鈍體的距離L2/H1。

燃燒效率及總壓損失系數(shù)的極差隨不同影響因素的水平變化如圖3所示。從圖3(a)可見楔體角度θ,后鈍體高度H2/H1的極差隨不同水平變化較大,其他幾個(gè)因素的變化相對較小,表明θ、H2/H1的變化對η的影響很大。楔體起著分流和穩(wěn)定火焰的作用,θ的變化影響燃燒室內(nèi)熱質(zhì)的交換,較大的角度有利于中間通道來流與后鈍體尾部駐渦區(qū)的摻混,最大程度完成燃料化學(xué)能向熱能的轉(zhuǎn)化;H2/H1影響其尾部駐渦區(qū)的大小,其高度的增加有利于駐渦區(qū)與主流區(qū)的摻混,從而提高燃燒效率。從圖3(b)可見后H2/H1及θ的極差隨不同水平的變化較大,即H2/H1、θ是σ的主要影響因素,H2/H1的增加對其尾部駐渦區(qū)大小影響顯著,低速區(qū)的增大使得σ上升明顯,另外受楔體的影響,后鈍體尾部的流線隨其高度增加擠壓劇烈,σ增加較多;θ的增大使得楔體附近流線彎曲明顯,因此σ升高。

圖3 燃燒效率及總壓損失系數(shù)的極差-水平變化圖

綜上,根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論可得,最優(yōu)燃燒效率的組合是θ=75°、D/S=3.5%、L1/H1=1、L2/H1=2.8、H2/H1=0.9;最優(yōu)總壓損失系數(shù)組合為θ=15°、D/S=2.0%、L1/H1=0.4、L2/H1=3.0、H2/H1=0.7。

3.3 方差分析

上述的極差分析無法對正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行定量分析,而方差分析法與F分布相結(jié)合,可以對試驗(yàn)因素的顯著性水平進(jìn)行定量分析。

表4 燃燒效率的方差分析表

對表4各因素進(jìn)行顯著性水平分析,得到影響燃燒效率的顯著性程度,如表5所示。

表5 各因素影響燃燒效率的顯著性程度

表5表明了θ是影響燃燒效率的主要因素,H2/H1對燃燒效率也有影響,但是影響有限;其余3個(gè)因素對燃燒效率影響較小。燃燒效率的顯著性分析與方差分析結(jié)果一致。

總壓損失系數(shù)的方差分析如表6所示。由該表可知,H2/H1對總壓損失系數(shù)的貢獻(xiàn)率最大,占53.58%;同時(shí),θ也是σ的主要影響因素。這與極差分析法得到的結(jié)果一致。但D/S的貢獻(xiàn)率為3.07%,L2/H1的貢獻(xiàn)率為7.46%,這與之前極差分析的結(jié)果相悖。可能的原因是考慮到極差分析法未能完全利用所有數(shù)據(jù)信息。因此以σ為考量指標(biāo)的主次因素排序?yàn)镠2/H1、θ、L2/H1、L1/H1、D/S。

表6 總壓損失系數(shù)的方差分析表

基于上述分析及表6,可得影響σ的顯著性程度,如表7所示。后鈍體高度以及楔體角度是影響總壓損失系數(shù)的主要因素,而其他3個(gè)因素對總壓損失系數(shù)的影響不大。

表7 各因素影響總壓損失系數(shù)的顯著性程度

4 最優(yōu)組合結(jié)果

本章對第3章給出的燃燒效率η最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證及結(jié)果分析。根據(jù)第3章,最優(yōu)燃燒效率的組合為θ=75°、D/S=3.5%、L1/H1=1、L2/H1=2.8、H2/H1=0.9。而總壓損失系數(shù)σ最小的組合由于燃燒效率太低,此處只用來進(jìn)行對比分析。數(shù)值結(jié)果表明,燃燒效率最優(yōu)組合的η為98.75%,此時(shí)σ為1.58%。

圖4(a)、圖4(b)分別給出了燃燒效率最大和總壓損失系數(shù)最小時(shí)最優(yōu)幾何參數(shù)的流場結(jié)構(gòu)及速度云圖。從圖4(a)可見,前后鈍體以及楔體均可形成穩(wěn)定的兩對駐渦,并且均為一個(gè)渦發(fā)展起來,而另外一個(gè)渦被擠壓。圖4(b)的前后鈍體之間形成雙渦對結(jié)構(gòu),后鈍體以及楔體后方的駐渦呈扁圓形且對稱性較好,流線指向渦核,駐渦穩(wěn)定。圖4(a)右側(cè)區(qū)域速度較高,這是因?yàn)榻?jīng)過燃燒加熱,該區(qū)域溫度升高導(dǎo)致氣體的密度減小,根據(jù)質(zhì)量守恒則速度增加。圖4(a)凹腔內(nèi)靠近中間流道的兩個(gè)渦較小,這是因?yàn)橹虚g流道突擴(kuò)比小于上下兩側(cè)流道,導(dǎo)致速度降低、壓強(qiáng)增加,從而靠近中間流道的渦被擠壓。凹腔長度越大,擠壓效果越明顯。

圖4 最優(yōu)幾何參數(shù)的流場結(jié)構(gòu)及速度云圖

對比圖4(a)與圖4(b)可得,楔體角度變大,圖4(a)后鈍體后方靠近中間通道的上下兩個(gè)渦被擠壓,流線彎曲、渦核形狀發(fā)生變化;與圖4(b)相比,圖4(a)的流道變窄,但流量一定,所以速度增大。圖4(a)與圖4(b)的對比可見,由于楔體角度的增大,圖4(a)楔體后方渦變大。這一方面使分流能力增強(qiáng),則燃燒效率提高;但也致使流線彎曲程度增大,低速區(qū)及旋渦的能量耗散變大,造成總壓損失增加。

另外,由圖4(b)可見,其凹腔內(nèi)形成雙渦對。這是因?yàn)榍昂筲g體距離太近,后鈍體高度小,駐渦腔長寬比很小,凹腔與外界流場能量交換很小,渦與壁面充分接觸,受壁面約束及粘性力的共同影響,形成雙渦對。由于靠近上側(cè)流體速度略大、楔體特征長度尺度變大,導(dǎo)致局部雷諾數(shù)增大,慣性力遠(yuǎn)大于粘性力,兩個(gè)渦非對稱地發(fā)展起來,如圖4(a)所示。渦的非對稱性在一定程度上有助于增強(qiáng)主流與旋渦區(qū)的摻混,從而能提高燃燒效率。

綜上,由于前后鈍體渦的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致了低速點(diǎn)火區(qū)與主流作用的不同,特別是楔體的分流及其后部的旋渦與主流的相互作用,使得燃燒效率增大。

5 結(jié)論

1)對燃燒效率影響由大到小的因素依次為θ、H2/H1、L2/H1、D/S、L1/H1。其中θ占71.76%,H2/H1占20.13%,其他因素影響較小;對總壓損失系數(shù)影響由大到小的因素依次是:H2/H1、θ、L2/H1、L1/H1、D/S,其中H2/H1占53.58%,θ占31.56%,而其他因素影響較小。

2)當(dāng)θ=75°、D/S=3.5%、L1/H1=1、L2/H1=2.8、H2/H1=0.9時(shí),燃燒效率達(dá)到最大值98.75%,此時(shí)的總壓損失系數(shù)為1.58%。

3)以提高燃燒效率為目的,可主要研究θ;以減小總壓損失為目的,則主要分析H2/H1。