主燃区出口特征影响出口温度场性能的数值研究

丁国玉，何小民，金 义，吴泽俊，葛佳伟

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

0 引言

21世纪初期，为了满足未来的军用航空发动机的气动热力性能要求，常规航空发动机燃烧室发展到第4代，并向着高推重比方向发展。高推重比燃烧室要求具有较大的温升，因而也称为高温升燃烧室。燃烧室出口温度越来越高，其最高出口温度随推重比的提高而不断增大。随着涡轮进口温度的提高，允许的热点最大温度偏差及燃烧室出口温度分布对理想温度分布的偏离值并没有变化，这样对燃烧室出口温度分布的要求就更高。涡轮进口燃气平均径向温度偏离理想温度分布，会明显影响到涡轮导向器叶片和转子叶片的寿命。对于高推重比燃烧室来说，如果仍维持与现在温度水平相当的出口温度分布系数，则其局部最高温度将会大幅度升高。按照出口温度分布系数为0.25计算，推重比为20的燃烧室最高出口温度将达到2670 K，热点温度比平均温度高300 K[1-6]，很难保证涡轮在如此高的出口温度下正常工作。因此，更加均匀的燃烧室出口温度分布显得尤其重要。

在航空发动机燃烧室中，油雾蒸发、扩散掺合的速度和浓度，决定于局部流速，即“速度场”决定“浓度场”；分子碰撞、燃烧放热的速度和数量，决定于局部温度、压力及燃料浓度，即“浓度场”决定“温度场”；按此观点，主燃区的速度场决定火焰筒出口温度场[7]。可见，主燃区出口速度分布和温度分布直接影响燃烧室出口温度分布质量,尤其影响燃烧室出口温度场热点形成。因此，开展主燃区出口特征影响出口温度场数值模拟研究，并掌握相应的变化规律是具有实际意义。

本文采用数值方法对燃烧室主燃区出口至燃烧室出口之间的流通区域进行研究，对不同主燃区出口特征下的速度分布和温度分布进行模拟，以掌握相应的变化规律，为掌握温度场调控技术奠定基础。

1 研究模型、方法和内容

1.1 模型的建立和网格的划分

本文的研究对象来源于某型先进发动机的环形燃烧室，共有24个头部，环形燃烧室单头部如图1所示。将主燃区出口至燃烧室出口之间的部分作为本文的研究对象。但本研究涉及的燃烧室结构颇为复杂，直接对全环进行研究计算量极大，实现起来较为困难。因此仅对燃烧室的1个头部进行1∶1研究，不做模型上的简化，研究对象的几何模型如图2所示。

利用ICEM-CFD软件对所建立的3维几何结构进行网格划分，由于研究对象结构复杂，不规则区域较多，生成结构化网格较为困难，因此选取适应性较强的非结构化网格，生成4面体网格总数为1142055个，3维网格如图3所示。

图1 环形燃烧室单头部

图2 研究对象的几何模型

图3 研究对象3维网格

1.2 研究方法

采用FLUENT6.3计算软件对划分好网格的流通区域开展数值模拟[8-12]，研究对象的进出口分布如图4所示，数值模拟过程中模型进口采用速度进口，以保证与原燃烧室单头部模型主燃区出口位置上质量守恒和能量守恒为原则，计算出相应的速度场和温度场（主燃区出口特征），然后采用C语言编程和运用FLUENT中用户自定义函数（UDF），设定可以进行数值模拟的边界条件,基本方法为：湍流模型选择标准k-ε模型；近壁面处采用标准壁面函数；辐射模型采用DO模型；对所截取的燃烧室扇形段的两侧截面设置为周期性边界条件；固体壁面考虑材料辐射，设定内部发射率为0.8。

图4 研究对象的进出口分布

1.3 研究内容

对不同主燃区出口特征下的速度分布和温度分布进行模拟，涉及到4种速度分布和3种基准的温度分布。速度分布包括余弦型、折线型、抛物线型、均值型；基准的温度分布包括抛物线型、折线型、均值型，并考察了以此温度分布为基准，最高温度点突升100、200 K以及最高温度点上下移动的情况。这样，不同的速度分布和温度分布组成不同的主燃区出口特征，对应不同的进口边界条件，共计算了42个算例。速度分布和基准的温度分布如图5、6所示，各种基准的组合见表1。

图5 主燃区出口速度分布沿通道高度的分布

图6 主燃区出口温度分布沿通道高度的分布

表1 基准的速度分布和温度分布的组合

2 研究结果及分析

2.1 主燃区出口温度分布对燃烧室出口温度场的影响

为了分析主燃区出口温度分布对燃烧室出口温度场的影响，分别考察了某一速度分布与3种温度分布组成的主燃区出口特征对燃烧室出口温度场的影响，以下是各速度分布与3种温度分布组成的主燃区出口特征对应的燃烧室出口温度场。

（1）在由均值型速度分布和3种温度分布组成的主燃区出口特征下得到的燃烧室出口温度场如图7所示。

从图7中可见，由不同主燃区出口温度分布得到的燃烧室出口温度场的最高温度均为1500 K，冷区和热区的所在位置大体一致，不同的是均值型温度分布对应的燃烧室出口温度场的最低温度比另外2种情况下的高，约高300 K，且热区面积也较大；由此可见，在均匀主燃区出口速度分布下，均匀主燃区出口温度分布可使燃烧室出口温度场更均匀。

（2）在由余弦型速度分布和3种温度分布组成的主燃区出口特征下得到的燃烧室出口温度场如图8所示。

图8 在余弦型速度分布下得到的燃烧室出口温度场

从图8中可见，在由余弦型速度分布和3种温度分布组成的主燃区出口特征下，得到的出口温度场冷、热区分布位置大体一致，且出口温度分布基本沿扇面中线对称，分析认为这主要是内外环面的2排掺混孔对称布置造成的。

（3）在由折线型速度分布和3种温度分布组成的主燃区出口特征下得到的燃烧室出口温度场如图9所示。

图9 在折线型速度分布下得到的燃烧室出口温度场

从图9中可见，在由折线型速度分布和3种温度分布组成的主燃区出口特征下得到的出口温度场与余弦型主燃区出口速度分布对应的出口温度场满足相同的规律。

（4）在由抛物线型速度分布和3种温度分布组成的主燃区出口特征下得到的燃烧室出口温度场如图10所示。

图10 在抛物线型速度分布下得到的燃烧室出口温度场

通过在对余弦型、折线型和抛物线型速度分布与3种温度分布组成的主燃区出口特征下得到的出口温度场的分析，发现出口温度场冷、热区分布位置大体一致。可见掺混孔的布置可以很好地改善出口温度场分布，使冷、热区的分布大体符合涡轮设计的要求。

将图7～10综合比较发现，在均值型速度分布和3种温度分布组成的主燃区出口特征下，得到的出口温度场与其他速度分布对应的出口温度场差别较大：在中部热区向外涵移动，而在扇面分界处的热区向内涵移动，且热区面积显著增大。分析认为，主燃区出口余弦型、折线型和抛物线型速度分布都是不均匀速度分布，不同位置燃气的速度差加强了湍流流动，能更好地进行能量交换，而均匀型主燃区出口速度分布不能达到这种效果。

（5）θTo和θTr在某一主燃区出口温度分布下随主燃区出口速度分布的变化规律分别如图11、12所示。其中Y、Z、P、J分别表示余弦型、折线型、抛物线型和均值型速度分布。

从图11、12中可见，主燃区出口温度分布不变时，在抛物线型主燃区出口速度分布条件下得到的出口温度场最好；在各种主燃区出口速度分布下，主燃区出口折线型温度分布对应的To和Tr都小于抛物线型温度分布对应的数值。

图11 不同主燃区出口特征下的To

图12 不同主燃区出口特征下的Tr

2.2 主燃区出口温度分布最高温度变化对出口温度场的影响分析

将主燃区出口余弦型、折线型和抛物线型速度分布条件下的抛物线型和折线型温度分布设定为参考温度场，然后对2种主燃区出口参考温度分布或升高最高温度，或上下移动最高温度点，以分析主燃区出口最高温度的变化对燃烧室出口温度分布的影响。

（1）余弦型速度分布和各种情况的温度分布组成的主燃区出口特征对应的To和Tr曲线分别如图13、14所示。其中，横坐标为各种情况下的主燃区出口温度分布：a表示参考温度分布，b、c分别表示最高温度升高100、200 K的温度分布，d、e分别表示最高温度点下移或上移0.01 m的温度分布，f表示最高温度点上移0.02 m的温度分布。

在各种主燃区出口温度场情况下，折线型温度分布对应的To和Tr始终小于抛物线型温度分布对应的数值；主燃区出口最高温度升高及升高的幅度对To和Tr影响不大；主燃区最高温度靠近内、外涵时，To和Tr都会增大，且靠近外涵时的To和Tr比靠近内涵时增大得快。

图13 余弦型速度分布下的To

图14 余弦型速度分布下的Tr

各种主燃区出口特征对应的出口温度分布也大致符合上述规律，在此不作赘述，分别如图15～18所示。

（2）折线型速度分布和各种情况的温度分布组成的主燃区出口特征对应的To和Tr曲线分别如图15、16所示。

图16 折线型速度分布下的Tr

（3）抛物线型速度分布和各种情况的温度分布组成的主燃区出口特征对应的To和Tr曲线分别如图17、18 所示。

图17 抛物线型速度分布下的To

图18 抛物线型速度分布下的Tr

3 结论

通过对不同主燃区出口特征下流通区域的速度分布和温度分布进行模拟，得到一系列燃烧室出口温度场，通过对这些温度场进行分析，可以得出以下结论：

（1）在均匀的主燃区出口速度分布下，均匀的主燃区出口温度分布可使燃烧室出口温度场更均匀；

（2）主燃区出口温度分布不变时，各种主燃区出口速度分布模拟得到的To和Tr数值中，折线型的较大（To超出上限），均值型的与之相近，余弦型的次之，抛物线型的最小，即在抛物线型主燃区出口速度分布条件下得到的出口温度场最好；主燃区出口速度分布不变时，折线型主燃区出口温度分布对应的To和Tr一般略小于抛物线型主燃区出口温度分布对应的数值；

（3）主燃区出口温度分布轮廓和速度分布不变时，主燃区出口最高温度突升对To和Tr的影响很小，且温升幅度对To和Tr影响甚微；主燃区出口速度分布不变，而主燃区出口温度最高点向内、外涵靠近时，To和Tr都会迅速增大，且靠近外涵时比靠近内涵时增大得快，这对燃烧室出口温度分布是相当不利的。

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