先进旋涡燃烧室钝体结构参数选择的数值分析*

孙海俊，曾卓雄，徐义华

(南昌航空大学飞行器工程学院，南昌 330063)

0 引言

稳定的燃烧火焰和较高的燃烧效率是燃烧室结构性能优化的主要目标，也是冲压发动机研究所需要解决的关键问题。美国的Ramgen公司在驻涡燃烧室[1](TVC，trapped vortex combustor)的研究基础上，提出了先进旋涡燃烧室[2](AVC，advanced vortex combustor)的概念。AVC是在燃烧室内布置前后两个独立的钝体，当来流经过前钝体时，在前后钝体之间的凹腔处形成稳定的旋涡结构，为燃烧室充当稳定的点火源;另一方面，稳定旋涡的存在不仅可以有效地降低燃烧室的总压损失和污染物的排放，还可以极大的提高燃烧效率[3]。然而旋涡的稳定和燃烧流动特性的优劣主要取决于前后钝体结构参数的匹配关系。文献[4－5]等依据 Mair[6]得出的 TVC 稳定驻涡条件的结构关系式对AVC内钝体结构参数和布置进行了研究。虽然AVC和TVC在结构上有相似之处，但仍需要区别对待。

因此，对不同钝体结构参数影响下的燃烧室流场进行数值模拟研究，以确定前后钝体各参数间的最佳匹配关系，为进一步深入研究提供理论依据。

1 物理模型与结构参数

AVC物理模型如图1所示，钝体布置方式不同于文献[7－8]之处在于将钝体前壁面直接与通道齐平，将原来的大通道进气口变成上下两个小通道进气口。燃烧室通道尺寸为360mm×100mm×100mm，前后钝体宽度为100mm，钝体的高和长以及两钝体间距S之间的匹配关系是文中研究的重点。

数值模拟采用不可压N-S方程，湍流模型为realizable k-ε模型，近壁面采用壁面函数法。计算时入口区域延长，燃烧室进出口边界条件分别为速度入口与压力出口。

图1 AVC物理模型

研究参数:

1)进口速度V=100m/s。

2)前钝体高 H1=50mm，60mm，70mm。

3)后钝体高为 H2，H2/H1=0.5，0.6，0.7。

4)凹腔长为 S，S/H1=0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2。

5)前钝体长L1=40mm，50mm，60mm;后钝体长L2，L2/L1=0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0。

研究H1、H2与S之间的关系时，L1=40mm，L2=20mm。

2 研究结果分析

2.1 两种钝体布置方式的比较分析

总压损失系数定义为:

模型Ⅰ(见图1)为所要研究的钝体布置方式，模型Ⅱ为文献[7－8]中的布置方式。在相同工况下对两种模型进行数值模拟，其静压分布如图2～图3所示。

图2 模型Ⅰ静压分布图

总压损失计算结果表明，模型Ⅰ的总压损失系数为1.62%，模型Ⅱ总压损失系数为24.3%。可见，模型Ⅰ的总压损失较模型Ⅱ小很多。模型Ⅱ的总压损失主要来源于两方面，一是凹腔处形成的低压槽;二是当主气流流经前钝体时，由于前钝体阻挡，在前钝体上下面上发生了扰流，从而形成局部低压槽(见图3)，局部低压槽的存在不可避免增大了总压损失。模型Ⅰ相对模型Ⅱ具有总压损失小的明显优势，并且在燃烧室总长一定时，模型Ⅰ有较长的流动发展区，有利于尾迹的充分发展。

图3 模型Ⅱ静压分布图

下文对钝体结构参数与流动性能关系的研究均基于模型Ⅰ的钝体布置方式。

2.2 钝体高度、间距对总压损失的影响

前钝体高度H1为50mm、60mm、70mm时，H2/H1、S/H1与总压损失系数之间的关系如图4～图6所示。

随H2/H1增大，图中曲线呈现出两条规律:1)曲线先降后升，即每一个H2/H1都存在一个S/H1使得总压损失最小;2)曲线最小值点左移，即最小总压损失对应的S/H1随之减小。

图4 H1=50mm时，S/H1与δ*间的关系曲线

图5 H1=60mm时，S/H1与δ*间的关系曲线

图6 H1=70mm时，S/H1与δ*间的关系曲线

每条曲线的最小值点所对应的结构参数当量比如表1所示。分析表1数据可知，随前钝体高度增加，相同的H2/H1、S/H1无量纲条件下，曲线最小值也随之增大(总压损失系数增大)。当H1=60mm和70mm时，最小值点所对应的结构参数关系均为H2/H1=0.7、S/H1=0.6，H1=50mm 时对应的结构参数为H2/H1=0.6、S/H1=0.6，并不满足TVC 稳定驻涡形成结构关系式[6]，故AVC结构参数的选择不能完全照搬TVC模式。

为探究结构参数对流场的影响机理，以表1中第二组结构参数为例，对凹腔内旋涡流场进行分析，其速度矢量分布如图7～图10所示。由图可见，凹腔内均能形成正向分布的对称旋涡。图7因凹腔长度与后钝体高度之比较大，致使旋涡被拉长，涡心偏离凹腔并超出后钝体边界，有效旋涡区变窄;另在后钝体前壁处形成了一对小尺度反向旋涡，与正向涡在边界层有剪切相互作用，从而削弱了大尺度涡的稳定发展势力，并形成低压槽，增大总压损失。随后钝体高度的增加和凹腔长度的缩短，反向涡逐渐消失，大尺度涡中心随之向凹腔内迁移，旋涡趋于稳定(见图9);而当凹腔长度与后钝体高度之比较小时(见图10)，旋涡被完全挤压在凹腔内，得不到充分的发展，无益于稳定旋涡和降低总压损失。

表1 最小总压损失系数对应的结构参数

图7 H2/H1=0.5(L/H1=0.8)

图8 H2/H1=0.6(S/H1=0.7)

图9 H2/H1=0.7(S/H1=0.6)

图10 H2/H1=0.8(S/H1=0.4)

后钝体高度以及凹腔长度对旋涡稳定和总压损失的影响相对较大，由上述分析可知，H1=60mm时H2/H1=0.7、S/H1=0.6 的结构关系对稳定旋涡和减小总压损失具有较好的效果。

H1=50mm时，该组曲线的最小值点所对应的结构关系式为 H2/H1=0.6、S/H1=0.5，且总压损失为三组数据中最小。三组数据中各最小总压损失所对应的结构参数下的流场静压分布如图11～图13所示。由图可见，凹腔处均形成了对称分布的低压槽，且发展较为充分，有助于旋涡的稳定。相比之下，结构参数为H1=50mm，H2/H1=0.6，S/H1=0.5 时(见图11)，低压槽中心脱离后钝体阻挡区域，使旋涡容易受主气流影响，不能稳定在凹腔范围内，而其余两组结构参数下的低压槽中心均在钝体阻挡范围内，具有很好的稳定旋涡作用。

图11 H1=50mm静压图

图12 H1=60mm静压图

图13 H1=70mm静压图

由此可见，虽然第一组结构参数(H1=50mm时)下的总压损失最小，但由于其低压槽中心向边偏移，在稳定旋涡方面并不十分理想;二、三组在稳定旋涡方面并无太大差异，但第二组参数下的总压损失较第三组小，即第二组结构下的燃烧室综合了旋涡稳定和总压损失较小等优点，其对应的结构关系式H2/H1=0.7、S/H1=0.6应为理想的参数匹配关系式。

2.3 钝体长度对压力损失的影响

图14 L2/L1与δ*间的关系曲线

图14 所示。从图可知，随前后钝体长度的增加，总压损失系数均随之增大，但幅度变化不大。这在于钝体长度的增加，缩短了钝体后的流动发展区，使湍流流动发展不充分，从而增大总压损失;保证湍流流动的充分发展，有助于降低总压损失。而钝体长度的选择并非越小越好，由于驻涡燃烧室内燃料注入通常采用壁面射流方式，所以还应考虑喷孔布置等因素。

综合来看，相比钝体高度和凹腔长度，钝体长度对总压损失的影响要小，在确定钝体长度时，应结合总压损失、湍流流动发展以及燃料射流孔布置等因素共同考虑。

基于相对最优结构参数关系(H1=60mm、H2/H1=0.7、S/H1=0.6)，取前钝体长度分别为 30mm、40mm、50mm时，总压损失系数与钝体长度的关系如

3 结论

对钝体布置方式和钝体结构参数影响下的先进旋涡燃烧室流场的数值模拟结果表明:

1)燃烧室模型Ⅰ中钝体布置方式具有较好的流动特性，且前后钝体结构参数当量为H1/H2=0.7、S/H1=0.6时，凹腔内旋涡最为稳定对称，且燃烧室总压损失也较小;

2)AVC结构参数的选择不能完全照搬TVC稳定驻涡形成结构关系式，需要区别对待;

3)增大钝体长度会相应增大燃烧室总压损失，确定钝体长度时，应综合考虑总压损失、湍流流动发展以及燃料喷孔布置等因素。

[1]Hsu K Y，Goss L P，Trump D D，et al.Performance of a trapped-vortex combustor[C]//AIAA 33rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，1995.

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[4]邓洋波，刘世青，钟兢军.AVC中钝体布置与燃烧室流动特性研究[J].工程热物理学报，2008，29(8):1416－1418.

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[8]钟兢军，刘世青.后驻体喷孔位置对驻涡腔流动冷态数值的影响[J].上海海事大学学报，2011，32(1):44－48.