新型沙丘形突扩燃烧室三维冷态迎风角度研究*

李 凯,曾卓雄,徐义华

(1 南昌航空大学飞行器工程学院,南昌 330063;2 上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090)

新型沙丘形突扩燃烧室三维冷态迎风角度研究*

李 凯1,曾卓雄2,徐义华1

(1 南昌航空大学飞行器工程学院,南昌 330063;2 上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090)

对沙丘形突扩燃烧室而言,适当的迎风角度能够保证沙丘的低阻特性并得到稳定的回流区。文中采用Realizablek-ε湍流模型和二阶差分格式对该燃烧室内部流场进行了数值模拟,详细分析了冷态条件下,当突扩比和背风角度一定时,不同迎风角度(0～70°)下沙丘突扩燃烧室内的流动特性,并总结了迎风角度对流场的影响规律,结果表明:迎风角度40°时,燃烧室总压损失小、回流区流动稳定且形状均匀饱满,燃烧室综合性能达到最优。

沙丘形突扩燃烧室;迎风角度;冷态流场

0 引言

在燃烧工程中,常利用低速区和回流区来实现火焰稳定[1]。突扩燃烧室的突扩外形能使气流分离,而分离流在压力梯度作用下产生回流区,从而达到稳定火焰的作用,并作为稳定的点火源[2]。突扩燃烧室结构简单,但是存在火焰稳定性差、燃烧效率低、总压损失较大等缺点[3-4]。

相比常规突扩燃烧室,根据沙丘外形设计的沙丘突扩燃烧室拥有更好的流场稳定性以及更小的压力损失,具有良好的应用价值。在沙丘形突扩燃烧室中,主要存在3个设计参数,即迎风角度、背风角度和突扩比[5-7],它们将影响燃烧室内部的流动特性。而对于突扩燃烧室来说,内部回流区的大小、位置以及回流量关系到燃烧室的整体性能。当前,沙丘形突扩燃烧室属于较新的突扩燃烧室概念,对该燃烧室进行的研究尚少。笔者[8]对背风角度变化的流场进行了数值模拟,证实了沙丘形突扩燃烧室阻力小、驻涡稳定的特性,并得到了背风角度对燃烧室内部流场的影响规律。文中在给定背风角度和突扩比的条件下,进一步分析迎风角度变化对燃烧室内部流动特性的影响,为沙丘形突扩燃烧室设计提供理论依据。

1 计算模型和计算方法

图1所示为沙丘形突扩燃烧室三维计算模型,图2为中心对称截面示意图。其中外径D=2R=120 mm,内径d=2r=80 mm,突扩高度h=20 mm,定义突扩比E=D/d=3/2,背风角度β=40°,迎风角度α=0～70°;为保证出口不出现回流,燃烧室尺寸取足够长,不低于10倍突扩高度。

图1 沙丘形突扩燃烧室模型

图2 中心对称截面

湍流模型采用Realizablek-ε模型,选择标准壁面函数(standard wall function)。对流项采用二阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式。来流条件采用速度入口边界条件,来流速度V=40 m/s;出口采用压力出口边界条件,出口压力定为大气压。速度-压力耦合采用SIMPLE方法,时间上采用隐式方法,定常求解。

在Realizablek-ε模型中,k与ε的输运方程如下:

详见文献[9]。

2 数值模拟结果与分析

2.1 算例验证

对具有实验数据的中心突扩燃烧室流动[10]进行了数值模拟,得到回流区最大负速度绝对值u1与入口速度u的关系,如图3所示。由图3可知,计算结果与实验值差异很小,从而表明文中所用的数值模拟计算方法是可信的。

图3 计算结果对比

2.2 总压损失分析

定义出口总压损失系数δ为:

图4 燃烧室总压损失系数

图4为总压损失系数随迎风角度改变的变化图。在迎风角为0°时,燃烧室前段对来流没有形阻,只有较小的摩擦阻力,总压损失系数很小。迎风角为10°时,总压损失系数有一个明显的上升,此后随着迎风角逐渐增大,总压损失系数基本呈线性增加。这是因为迎风角越大,迎风坡对来流的阻碍作用越明显,气流冲击壁面作用也越强,剧烈的摩擦增加了总压的损失。当迎风角为70°时,总压损失系数达到3.51%,其数值已经很大,若再增加迎风角度,则总压损失必然继续增加,燃烧室将失去沙丘突扩的低阻特性。

2.3 流动速度与压力分析

图5和图6分别为燃烧室迎风角40°时突扩口下游沿流动方向近壁面的速度和静压分布图(其他迎风角度下具有类似的分布)。再附着点是回流区与主流的分界,旋涡在该点后分流。图5中X轴方向速度为0的点近似为流场的再附着点。根据再附着点的位置,可以得到突扩回流区的长度[12],迎风角为40°时的回流区长度约为10.1倍的突扩高度。在图6中,从再附着点到背风坡坡脚处,压力先快速下降,然后缓慢恢复。突扩台阶后部压力下降成为低压区,驱动气流偏折,形成回流。快速压降伴随回流速度的增大,较大的压力梯度使得流线图中的流线在对应区域剧烈弯曲。随着压力的上升,回流速度开始较小,但压力恢复缓慢,梯度小,故对应区域流线曲率较小。

图5 突扩口下游近壁面速度分布

图6 突扩口下游近壁面静压分布

取沿流动方向距壁面高度为0.3h和0.6h位置处进行压力分布分析。由图7可知,回流区内沿流动方向的压力分布基本相同,这两个位置处的压力线与壁面压力线重合,与Chaturvedi[11]的结果一致。

图7 回流区内不同高度上的静压分布

表1为不同迎风角度下突扩口下游近壁面突扩回流区长度。随着迎风角的增大,回流区长度也随之增长,但增长速度逐渐放缓,40°～70°时回流区长度已比较接近。燃烧室火焰传播理论认为回流面积大小是影响燃烧稳定性能的关键因素。回流区要发挥稳定火焰的作用,必须具备足够的能量强度和能量总量,这就要求回流区面积不能太小,否则会影响火焰传播的效果。另一方面,大回流区面积对应大迎风角度,大的迎风角度下总压损失大,所以在选择迎风角度时应综合考虑这两者的影响,以使燃烧室性能达到最佳。

表1 不同迎风角度下突扩口下游近壁面突扩回流区长度

2.4 湍流强度

由图8可知,不同迎风角度下湍流强度分布是相似的,即在近壁面两侧湍流强度集中分布,存在一个最大强度中心,中心外侧逐层减弱。随着迎风角度的增大,近壁面两侧湍流强度逐步增大,并且强度中心逐渐向出口移动。高湍流强度利于形成不连续的火焰面,使流场中散布多个点火源,加速火焰传播。同时,主流附近流体湍流度高,能促进区域内燃料的掺混,使得燃烧更充分。低湍流度表示流动平稳,利于火焰的稳定驻留[13]。总之,确定最佳迎风角度时需要酌情考虑湍流强度的影响。

图8 不同迎风角度下Y=0截面上的湍流强度分布

2.5 流场结构

图9是不同迎风角度下Y=0和Z=0截平面的等值流线图。当迎风角度α=0°时,燃烧室内并未形成回流区。这是因为水平来流经过突扩口时,由于背风角度较小,流道形成渐变扩张,从而导致突扩台阶后部不能产生明显的低压区。没有回流区的产生就不能稳定火焰,不会形成一个稳定的点火源,所以0°迎风角不能应用于该燃烧室。

当迎风角度α=10°时,Y=0截面中上下侧旋涡基本对称,两者流向相反,但流线都背离涡核,是不稳定的。Z=0截面中上下侧旋涡也对称,不同的是它们的流线指向涡核,是稳定的[14]。由表1知,其回流区长度小,故回流区面积小,可能会影响到火焰扩散的效果。

当迎风角度α=20°时,Y=0截面中形成了一对对称的旋涡,两者都是不稳定的,因为流线背离涡核。Z=0截面中下侧旋涡流线指向涡核,是稳定的。上侧旋涡流线指向涡核,虽然稳定,但该涡的形状饱满而不均匀,前侧流线未和燃料进行掺混就直接卷入回流区,不利于高效燃烧。

当迎风角度α=30°时,Y=0截面中上下侧旋涡也是对称的,流线同样背离涡核,是不稳定的。Z=0截面中下侧旋涡流线指向涡核,是稳定的。上侧旋涡流线指向涡核,是稳定的。与20°时相似,涡的形状饱满而不均匀,但比20°时有所改善。

当迎风角度α=40°时,Y=0截面中上下侧旋涡形状对称,然而稳定性却不同。上侧旋涡流线背离涡核,不稳定。下侧旋涡流线外层背离涡核,不稳定;内层流向指向涡核,是稳定的,且稳定性较上述角度有所好转。Z=0截面中是一对对称的旋涡,上侧旋涡流线指向涡核,稳定;下侧旋涡存在稳定极限环,极限环内部流线指向涡核,外部流线背离涡核,经历了一次分叉运动,由稳定变为不稳定[15]。其回流区长度有明显的增长,回流区面积大,有利于发挥稳定火焰的效能。

当迎风角度α=50°、60°时,Y=0截面中上侧旋涡流线背离涡核,不稳定;下侧旋涡存在稳定的极限环,但流线仍背离涡核,也是不稳定的。Z=0截面中上下侧旋涡是对称稳定的,其形状均匀饱满,利于形成稳定的点火源。

当迎风角度α=70°时,Y=0截面中上下侧旋涡流线背离涡核,不稳定。Z=0截面中上下侧旋涡是对称稳定的。由流线图知,随着迎风角增大,来流气体流经迎风角后其流线弯曲越明显,流向偏折角度越大。另一方面,迎风坡对气流的加速作用随着迎风角增大而增强,从而使得主流边界向中心偏移,这就增大了低压区的空间,使得回流区进一步增大。结合表1发现,迎风角越大,回流区长度确实快速增大。但是到40°以后增长变慢,这是因为有较大质量流量的主流抑制了偏折气流,减小了主流边界的偏移量。

图9 不同迎风角度下截平面的等值流线图

2.6 最佳迎风角度的选择

上述分析内容包括了多个燃烧室评价标准(总压损失系数、回流区长度、湍流强度、驻涡稳定性等),然而它们之间并不是简单的对应关系,需要综合考量。

总压损失系数是一个重要的燃烧室性能参数。总压损失小,则燃烧室出口气体就有更强的做功能力。迎风角50°～70°时,总压损失系数在3%左右,所以从总压损失系数角度不宜选择上述角度。回流区的流动特性是稳定燃烧的主要影响因素,一方面,回流区面积大,能有较好的火焰传播效果,宜选用的迎风角度为40°～70°。另一方面,湍流强度低,则流动平稳,易使火焰驻留;湍流度高,则利于火焰传播与燃料掺混,所以应该选择中等湍流强度,对应迎风角度为40°～50°。此外,回流涡的稳定性也十分关键。迎风角度为40°时,除了在Z=0截面上回流涡稳定以外,Y=0截面中下侧涡的内层也是稳定的,对比其他角度稳定性有所改善。同时,其回流区形状均匀饱满,有利于形成稳定的点火源。综合以上不同影响因素,文中认为最优迎风角度为40°。

3 结论

文中固定背风角度和突扩比,改变迎风角度,对沙丘突扩燃烧室的流动特性进行了分析,得出以下结论:

1)总压损失系数随迎风角度的增大而增大,0°时由于没有回流区产生,总压损失系数明显小于其他情况。

2)回流区长度随迎风角度的增大而增长,40°以后增长趋势放缓,长度比较接近。

3)回流区湍流强度随迎风角度的增大而增加。

4)在固定背风角度和突扩比条件下,存在一个使得燃烧室综合性能最优的迎风角度。

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Research of Windward Angle of A New Dune-shaped Dump Combustor

LI Kai1,ZENG Zhuoxiong2,XU Yihua1

(1 School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2 College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electris Power, Shanghai 200090, Chian)

As for dune-shaped dump combustion, proper windward angle can ensure low resistance characteristics of the dune and obtain stable recirculation zone. The internal flow field of this combustion chamber was simulated by Realizablek-εturbulence model and second-order difference scheme. In this paper, the cold flow characteristics of different windward angle (0～70°) were analyzed under the certain leeward angle and sudden expansion ratio of the dune-shaped burners. The influence laws of different windward angle on the flow field were summarized. According to calculating results, when windward angle is 40°, combustor suffers less in total pressure loss, the flow recirculation zone is stable, and its comprehensive performance achieves best.

dune-shaped dump combustor; windward angle; cold flow field

2014-04-15

国家自然科学基金(51066006;51266013);航空科学基金(2013ZB56004)资助

李凯(1991-),男,浙江嘉兴人,硕士研究生,研究方向:航空工程。

V235.21

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