驻涡燃烧室驻涡区涡系特点数值模拟

彭春梅，何小民，金 义

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

0 引言

随着现代航空工业的快速发展，对涡轮发动机的性能要求越来越高。燃烧室是燃气涡轮发动机的核心部件,为了满足高性能低污染要求，美国空军研究所（AFRL）和通用发动机（GEAE）公司于20世纪90年代提出了驻涡燃烧室（Trapped Vortex Combustor，TVC）概念，目前已经发展到第4代[1-4]。与过去40年来普遍采用的旋流器燃烧室相比，驻涡燃烧室采用1种不同的燃烧组织方式。燃烧室主要分为2部分，包括驻涡区和主燃区。利用凹腔形成旋流，驻涡区主要起到火焰稳定和小功率燃烧的作用，主流主要起到大状态时的燃烧作用。驻涡区内的燃料和空气以一定方式单独供入凹腔内，在较宽范围的主流进气状况下建立稳定的回流区。国内外对驻涡燃烧室开展了大量研究，结果表明:驻涡燃烧室具有结构简单、贫富油极限宽、高空再点火性能优越、可在更宽广的油气范围内保持高燃烧效率等优点[4]。驻涡区的特性对燃烧室性能有重要影响，特别是驻涡区涡系特点。驻涡区内主要存在2个涡，分别为主涡和副涡。对驻涡区的流场结构及变化规律也开展了一些研究。文献[5]分析了主流对凹腔涡流动的影响，文献[6]对驻涡腔前驻体有无喷射2种情况下的旋涡分布进行了研究，文献[7]研究了凹腔结构对驻涡区旋涡的影响,但这些都是笼统地研究驻涡区旋涡，没有详细分析驻涡区各纵横截面的旋涡特性。

驻涡区涡系结构主要受驻涡区结构和进口气动参数等的影响，本文主要通过变化驻涡区的前进口堵塞比和燃烧室进口速度的方法改变驻涡区的进口结构形式和入口速度，采用数值计算的方法对驻涡区流场，特别是涡系结构的变化规律进行研究，并对驻涡区不同纵横截面的流场进行详细讨论，分析驻涡区涡系特点，总结相应的变化规律。

1 计算方法

1.1 物理模型

本文研究的对象是在前期对驻涡燃烧室探索研究的基础上设计的燃烧室[4,8-9]。考虑到整个燃烧室的周期性，物理模型选用1个头部，不简化模型。驻涡燃烧室单头部物理模型如图1所示，研究对象如图2所示。单头部驻涡燃烧室长353 mm，宽60 mm，高172 mm，驻涡区前进口宽60 mm，高4 mm。

图1 驻涡燃烧室单头部几何模型

图2 研究对象几何模型

1.2 计算方法和边界条件

数值计算采用FLUENT专用的前处理软件GAMBIT对所建立的3维几何结构进行网格划分，整体采用结构化网格，对局部区域网格进行加密。生成的六面体网格总数约为141万。计算过程中采用基于压力耦合的离散稳态隐式求解器，各参数的离散均采用精度较高的2阶迎风差分格式，采用标准κ-ε模型模拟紊流黏性，湍流度设为5%。流体设为常物性不可压气体（air）。以各项计算结果的残差均小于10-6来判断解是否收敛。

燃烧室进出流边界条件：入口为速度入口，其中入口速度分别设为50、85和120 m/s，温度设为300 K，静压设为大气压；出口为压力出口；燃烧室两侧截面设置为周期性边界条件。

驻涡区前进口堵塞比直接影响到驻涡区流量和流场特性，从而影响驻涡区涡系特点。研究过程中通过改变驻涡区前进口堵塞比，得到所需的流量和流场。研究时，堵塞前进口的中部，变化堵塞面积，堵塞比分别为20%、40%和60%，在不同燃烧室入口速度下，研究驻涡区的流动特性。涉及到3种驻涡区前进口堵塞比和3种燃烧室入口速度，共9种组合，分析其纵横截面的流线图及压力云图，研究不同驻涡区前进口堵塞比和不同燃烧室入口速度对涡系的影响。

2 计算结果及分析

模拟了3种驻涡区前进口堵塞比分别为20%、40%和60%；3种燃烧室入口速度分别为50、85和120 m/s。取不同截面流线和静压分布云图进行分析，研究其涡系特点。

Z/D=0.10，为过驻涡区前进口、联焰板堵塞截面；Z/D=0.25，为过主流和驻涡区前进口截面；Z/D=0.50，为过主流、驻涡区前进口堵塞截面，是燃烧室的对称面。各截面选取如图2所示。

试验拍摄PIV如图3所示。从图3中可见，主流被联焰板堵塞的截面，驻涡区只存在主涡，为单涡结构，主涡位于凹腔中部左右；主流截面驻涡区主要存在2个旋涡。主涡几乎占据了整个驻涡区，整体形状呈椭圆形，流线光滑，形态饱满。

图3 试验PIV

2.1 驻涡区纵截面的旋涡特性

在堵塞比为20%、燃烧室入口速度为50 m/s时，对驻涡区不同纵截面（Z/D=0.10、0.25和0.50，如图4所示）流场进行分析，研究其旋涡特点。图4中流线显示驻涡区内主要存在2个涡，分别为主涡和副涡，主涡位于凹腔中部，主流被联焰板堵塞的截面为单涡结构，主涡在流动方向上几乎占据整个驻涡腔，形态较饱满，整体形状呈椭圆形，流线较为光滑，与试验结果相符，验证了数值模拟结果的正确性。气流从驻涡腔前壁进入驻涡区后，在压力驱动下向该区运动，与驻涡腔后壁进口气流相互作用，共同形成主涡。副涡处于驻涡腔与主流交界处，其流体整体逆时针方向运动，旋涡形态沿轴向拉伸，强度较小。由于主涡被副涡隔离于驻涡腔中，则主流的高速运动对其影响较小，处于相对稳定的流动环境。主涡结构稳定，气流速度不高，为稳定点火和火焰稳定创造了条件。副涡保护凹腔中的主涡免受主流的干扰，并起到热量传递的作用。

图4 堵塞比为20%、燃烧室入口速度为50 m/s时纵截面流线和压力

3个特征截面均存在主涡。截面Z/D=0.25和Z/D=0.50时旋涡特点相似，在驻涡区与主流交界处存在明显的副涡，这是由于主涡下部沿旋涡回流的部分气体与主流进来的高速气流作用，被折回，从而形成副涡，并被主流托住。截面Z/D=0.10，该截面主流被联焰板堵塞，主涡下部靠近主流处，气体有沿旋涡回流的趋势，但由于主流被联焰板堵塞，该处为低压区，因此部分气体向联焰板及钝体后面的低压区运动，在钝体后产生回流。

2.2 驻涡区横截面的旋涡特性

在驻涡区前进口堵塞比为20%、燃烧室入口速度为50 m/s时，对驻涡区设置5个轴向评判截面：X/L=0.3、0.4、0.5、0.6和0.7，详细研究各截面旋涡情况（如图5所示）。

图5 堵塞比20%、燃烧室入口速度50m/s时横截面流线和压力

从图5中可见，凹腔上游靠近前壁的截面无旋涡形成，凹腔轴向中心位置附近存在明显的旋涡，但旋涡强度较弱，形态不饱满，在凹腔轴向中心位置处旋涡最大，形态最饱满，距离凹腔前壁越远的横截面上旋涡涡心距越大，靠近凹腔后壁的横截面上无旋涡存在。而且，气流从驻涡区前进口进入，在压力驱动下一边向堵塞所对应的区域偏转，一边向下运动，到主流处由于压力较高，被主流托住，气流不能直接流进主燃区与主流掺混，于是向燃烧室两侧截面偏转，一部分往回绕形成旋涡，一部分从联焰板引入主燃区。

凹腔上游靠近前壁的截面X/L=0.3，旋涡在此位置正好往凹腔底部回绕，流线朝向凹腔底部。X/L=0.4处有较明显的旋涡存在，但旋涡形态不饱满，涡心距较小，涡心大约分别在Z向1/3和2/3处，从驻涡腔前进口进入的空气由于惯性、压力驱动向凹腔后壁运动，与后壁进口进入的空气作用形成旋涡，旋涡位于轴向中心位置附近，由于该截面位于凹腔轴向中心位置上游，旋涡发展不够充分，形态不饱满。X/L=0.5截面为轴向中间截面，该截面上旋涡最大，形态饱满，流线光滑，涡心距变大。该截面的流线图显示，旋涡涡心大约位于Z向1/4和3/4处，对应纵截面Z/D=0.25附近，如纵截面流线图所示，在凹腔轴向中心位置处存在明显的旋涡，且主涡涡心位于凹腔轴向中心位置，即0.5 L处。轴向距离继续增大，到X/L=0.6截面,旋涡较小，形态不饱满，涡心距较大，涡心大约在Z向1/8和7/8位置处，对应纵截面Z/D=0.1附近，该纵截面主涡涡心位于凹腔轴向中心偏右大约0.6 L处，因此纵横截面旋涡特点符合较好。X/L=0.7截面，无旋涡存在，在压力驱动下，气流直接从凹腔底部流向主流，反映在纵截面上即为凹腔下游靠近后壁面的流体均沿靠近后壁的路径直接流向燃烧室中心与主流混合。

2.3 堵塞比对流动特性的影响

驻涡区前进口堵塞比分别为20%、40%和60%，燃烧室入口速度分别为 50、85和120 m/s，X/L=0.5截面的流线和压力分布分别如图6～8所示，驻涡区前进口流量变化曲线如图9所示，驻涡区前进口流速变化曲线如图10所示。在不同驻涡区前进口堵塞比和不同燃烧室入口速度下的涡心距和涡通量分别见表 1、2。

图9 驻涡区前进口流量变化曲线

图10 驻涡区前进口流速变化曲线

表1 涡心距 mm

表2 涡通量 mm

从图6～8中可见，在相同堵塞比、不同燃烧室入口速度时，驻涡区轴向中间截面的旋涡结构几乎没有区别；在相同燃烧室入口速度、不同堵塞比时，驻涡区轴向中间截面的旋涡相差较大。从表1、2中可见，在同一堵塞比时，燃烧室入口速度越大，旋涡强度越大，涡心距几乎不变。其原因是燃烧室入口速度越大，驻涡区前进口的流体速度越大，流量越大，致使旋涡强度越强。在相同燃烧室入口速度下，堵塞比不同，从驻涡区前进口进入的流体速度几乎相同，堵塞比越大，驻涡区前进口流量越小，旋涡强度越弱，旋涡形态变得不规则、不饱满。随着堵塞比增大，涡心距也增大。图8中由于驻涡区前进口堵塞比太大（60%），旋涡实际发展空间相对狭小，旋涡形态不饱满，流线不光滑。

3 结论

通过改变驻涡区前进口堵塞比和燃烧室入口速度，对燃烧室进行数值模拟，取驻涡区典型截面流线和静压分布图，分析驻涡区流场特点，研究驻涡区涡系特性，得到以下结论：

（1）驻涡区的旋涡是3维的，不同截面旋涡特点不同，主流被联焰板堵塞的凹腔纵截面只存在主涡,为燃烧室稳定点火和火焰稳定提供条件。

（2）驻涡区不同横截面的旋涡差别较大，在凹腔轴向中心位置处形态最饱满，离驻涡区前壁越远截面的旋涡涡心距越大，贴近凹腔前壁和后壁的截面均无旋涡存在。燃烧室入口速度对驻涡区轴向中间截面的旋涡结构没有影响，驻涡区前进口堵塞比对旋涡影响较大。前进口堵塞比一定时，燃烧室入口速度越大，驻涡区前进口流速越大，流量越大，旋涡强度越大，涡心距几乎不变。燃烧室入口速度一定时，驻涡区前进口速度几乎相同，堵塞比越大，流量越小，旋涡强度越小，旋涡形态不饱满，涡心距增大。

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