乙烯超燃燃烧室支板/多凹腔一体化组合数值分析*

王应洋,李旭昌,王宏宇,吴振亚

(空军工程大学防空反导学院,西安　710051)

乙烯超燃燃烧室支板/多凹腔一体化组合数值分析*

王应洋,李旭昌,王宏宇,吴振亚

(空军工程大学防空反导学院,西安710051)

摘要:为探索多凹腔与交错尾部支板组合时对燃烧室性能的影响,运用有限体积法对乙烯喷注当量比0.6的燃烧室进行了数值模拟。通过对比不同长深比的凹腔串、并联对混合效率、燃烧效率、总压损失的影响,发现并联凹腔能通过更早的实现燃料与主流充分掺混从而提供更大的燃烧区;长深比为3.5的凹腔串、并联对提高燃烧效率效果不明显,长深比为8的凹腔串、并联能显著提高混合效率和燃烧效率,其中长深比为8的凹腔并联燃烧室性能较好。

关键词:超音速燃烧;支板;多凹腔;结构组合;数值模拟

0引言

由于超声速气流在超燃冲压发动机内停留时间短,因此简单的燃料喷射方法不能保证燃料有效的掺混,必须采取强化掺混措施[1-2]。支板与凹腔分别作为超燃燃烧室中增强掺混与稳焰的装置已得到广泛的研究。Viacheslav A.Vinggradovd[3]等试验对比研究了台阶后喷射、斜坡后喷射、壁面喷射和支板喷射4种喷射方式,支板喷射能更好的提高燃料与空气掺混效率与燃烧效率;苏义[4]对支板不同喷射方式进行了试验研究,支板侧面横向喷射与支板尾部顺流喷射相比,侧面横向喷射能使燃料与主流更好掺混;Kodera[5]等试验对比研究了普通支板与带交错尾部结构的支板对燃烧室性能的影响,带交错尾部结构的支板能通过产生较好的涡流结构提高燃料与空气的掺混效率;范周琴[6]等数值模拟了串、并联凹腔对增强混合、燃烧的影响,燃烧室串联构型压强损失小,但并联构型放热快,有利于缩短燃烧室长度;郭金鑫[7]对支板/凹腔结构组合进行了数值研究,得出横向组合燃烧室性能优于纵向组合的结论。

目前,关于支板的文献仅对只有支板或支板/单凹腔的燃烧室进行研究,关于多凹腔的文献都是在壁面喷射燃料的条件下进行研究。壁面喷射燃料组分靠近壁面,壁面凹腔能有效发挥增强掺混与稳焰的作用。支板喷射燃料组分大多分布在主流,壁面凹腔增强掺混与稳焰的能力尚待研究。由于燃烧室几何结构、气动性能、燃料混合及燃烧特性的相互耦合,为了探索多凹腔与支板组合时对燃烧室性能的影响,文中在文献[7]的基础上对交错支板/多凹腔一体化组合进行了数值分析。

1燃烧室模型与数值模拟方法

如图1所示,超燃燃烧室[7]是矩形截面自由通道,进口截面为20 mm×25.4 mm,总长510 mm。支板前沿距入口30 mm,支板上下各设置两个喷孔,喷孔直径1.5 mm,喷孔距离支板后缘40 mm,支板尾部为交错结构,尾部锲角36°。凹腔前壁面距支板尾部60 mm,文中采用D10L35A30、D10L80A30两种凹腔。来流与喷孔条件见表1。

图1　燃烧室结构图(单位:mm)

FreeStreamInletFuelInjectionPortpt/kPa431.7776.1Tt/K1800360p/kPa80.347410αO20.230αH2O0.170αC2H401

采用Catia软件进行建模,并用ICEM进行网格划分,为提高计算精度,所有计算域均采用结构化网格划分,在支板、喷孔与凹腔附近进行网格加密处理。第一层网格节点距离壁面1×10-4m,各模型网格数100万左右。图2为单凹腔算例的网格图。

图2　模型网格图

用Fluent软件进行求解,该软件基于有限体积法,采用三维多组分化学非平衡N-S守恒方程组[2]。考虑近壁区绕流与旋流的作用,采用可压缩修正的SSTκ-ω湍流模型[7]。该模型不仅占据了k-ω方程求解壁面边界层流动的优势,提高了在各种压强梯度条件下解的精确性和粘性底层的数值稳定性,而且一定程度上又保留了k-ε公式求解自由剪切流的精确性。

为验证文中计算方法的可靠性,对美国NASA的SCHOLAR超声速燃烧室构型[8]进行了算例验证,该算例只验证湍流模型的有效性,不考虑燃料流动带来的组分输运的影响。图3与图4分别为燃烧室冷流条件下的静压云图与分别用realiziblek-ε和SSTk-ε两种湍流模型计算得到的燃烧室下壁面静压分布曲线。结合两图共同分析,燃烧室下壁面静压曲线显示了超声速气流经过膨胀波或斜激波时两次参数的突变,静压云图与曲线反映的结果是一致的。计算所使用的两种湍流模型所得压强曲线与试验值吻合都很好,并且使用SSTk-ε湍流模型所得结果稍微靠近实验值,该差别是可以忽略的。另外,计算结果与文献所得曲线吻合度很高,说明湍流模型选取的合理性。

为深入研究多凹腔不同组合方式的流场特性,文中设置了14个算例,并选取D10L80A30单凹腔、凹腔串联、凹腔并联为基础模型,用以验证多凹腔与交错支板组合燃烧室性能的差别(见表2)。

图4　燃烧室壁面静压比较图

图3燃烧室压强云图

表2　不同算例设置表

2结果和分析

2.1　冷流场分析

文献[9]指出,Rogers提出的与燃烧反应相联系的混合效率不能客观评估燃料混合程度,并提出了流场混合区、可燃混合区、适燃区比例的概念。因此文中将采用该方法对燃料混合效率作出评估。首先定义当量比Φ为[10]:

(1)

当Φ=1时燃料将能完全燃烧,Φ<1为贫油区,Φ>1为富油区。(F/A)stoich为燃料与空气完全反应所需要的油气比,也称恰当比。碳氢燃料的恰当比定义如下:

其中molair=a+b/4。

(2)

对于乙烯a=2,b=4,因此乙烯(F/A)stoich=0.067 8。定义流场混合区Ap为当量比Φ≥0.2的区域,可燃混合区Af为当量比0.4≤Φ≤5.5的区域。

图5是基础模型乙烯当量比Φ≥0.2时的切面上所显示的温度云图,切面右下角为该切面在X轴上的位置(D为凹腔深度),括号中的数值为切面面积(Ai为喷孔面积),可见流场混合区Ap在交错结构产生的扰动作用下由“S”形逐渐向壁面扩展,Ap占流道截面的比例延程增大,最终占据整个流道。对比分析3个算例可见,支板/单凹腔Ap的面积最大能达到461Ai,支板/串联凹腔Ap的面积最大能达到575Ai,支板/并凹腔Ap的面积最大能达到611Ai,并且均在凹腔处取得最大值,说明凹腔能有效增强掺混,并联凹腔增强掺混的能力大于串联凹腔。

在凹腔底部均形成了高温区,高温区有利于点火与稳焰。由图5(b)可见串联凹腔的后凹腔能增大前凹腔所产生的高温区,这和文献[6]所分析的后凹腔能补燃的结论一致。由图5(c)可见,并联凹腔的上下凹腔能相互影响使流场混合区与高温区的面积都增大,这对高效稳定燃烧非常重要。

图5　乙烯当量比Φ≥0.2切面上的温度云图

图6是基础算例的流线图与压强云图。从流线图可以看出,交错结构尾部产生较多的小的流向涡,这些漩涡相互作用,最终发展为占据整个流道的大的流向涡。漩涡由小到大的发展过程也是乙烯组分在整个流道中的扩散过程。其中,并联凹腔具有最复杂的流向涡系,上下凹腔流向涡的相互影响,使得并联结构能在更短的时间内使燃料与来流充分掺混,这对高速流场而言是极为有意义的。由压强云图可以看出各算例的高压区分布位置并不相同,单凹腔高压区分布在凹腔尾部,串联凹腔分布在下游凹腔,并联凹腔分布于凹腔中部,高压区分布位置不同使得三种组合方式的流场特性差异较大,这也是三种组合方式流场中乙烯组分分布差异较大的原因。

图7是基础算例的马赫数云图,串联凹腔中,上游凹腔流场情况与单凹腔相同,自由剪切层偏向主流并在凹腔前沿形成压缩波,下游凹腔自由剪切层偏向凹腔内部,剪切层撞击在凹腔后壁,形成高压区。并联凹腔中,上下凹腔自由剪切层均偏向凹腔内部在凹腔前沿形成膨胀波,上下凹腔前沿波系相交,形成了图6(c)中的复杂流向涡系的同时也形成大面积的高压区。从图7所分析出的高压区位置与图6所显示的一致。对比三种组合方式可以看出,亚声速区的大小为:并联凹腔>串联凹腔>单凹腔,亚声速区越大燃料在主流中停留时间越长越有利于充分掺混。

不同喷射方式的总压损失可以由总压损失系数来衡量,定义总压损失系数[10]:

(3)

(4)

图8是D10L35A30、D10L80A30两种凹腔不同组合方式的延程总压损失曲线。由图可以看出增加凹腔结构后,总压损失都会增大,其中大长深比凹腔增大得更为明显。对于不同组合方式总压损失:并联凹腔>串联凹腔>单凹腔,但也可以看出对于大长深比凹腔而言,在出口区域三种组合方式的总压损失差别并不大。

图6　压强云图与流线图

图7　Z=12.7 mm截面处的马赫数云图

图8　总压损失系数

图9　不同算例混合效率

图9是D10L35A30、D10L80A30两种凹腔不同组合方式由可燃混合区Af的面积所表征的混合效率,Af/Ai值越大该截面处乙烯与主流的掺混效果越好[10]。对于长深比为3.5的凹腔在X=30D之前不同组合方式与无凹腔之间的差别并不明显。对于长深比为8的凹腔串联组合方式与并联组合方式分别在X=33D、X=21D取得Af的最大值。对于超燃燃烧室而言尽可能早的实现燃料与主流的充分掺混更有利于提高燃烧室性能,在这一方面长深比为8的凹腔并联组合方式体现出优越性。

2.2　热流场分析

首先定义CO2在流场中的质量分数为ηCO2。图10为有化学反应时基础模型燃烧室ηCO2≥0.1切面上的温度云图。可见各组合方式均在有凹腔位置处取得切面面积最大值,说明凹腔能有效增强燃烧。从温度云图可以看出,不同组合方式的凹腔内均产生了高温区,说明凹腔能稳定火焰。

热流场壁面压强分布主要由激波与燃烧释热引起[6],激波导致压损,燃烧释热导致压升。图11给出了基础算例冷流场与燃烧流场壁面压强曲线。从30

图10　二氧化碳ηCO2≥0.1切面上的温度云图

图11　燃烧室壁面压强曲线

图12(a)、图12(b)分别是D10L35A30、D10L80 A30两种凹腔不同组合方式的总压损失曲线,从图12(a)中可以看出:长深比为3.5的凹腔无论单凹腔还是双凹腔总压损失都比无凹腔的时候略大,但与图8(a)相比,加入凹腔后能使总压损失减小,这是因为凹腔能通过增强掺混与稳焰来提高放热量;同时也可以看出,并联凹腔总压损失的下降幅度最大,说明并联凹腔放热量多。从图12(b)中可以看出:在X=36D之后,长深比为8的凹腔无论单凹腔还是双凹腔总压损失曲线都在无凹腔算例总压损失曲线之下,说明加入凹腔后产生多余放热量对提升总压的贡献能抵消掉由于构型复杂所带来的总压损失。对比图12(a)、图12(b)可以看出:对于有化学反应的流场而言,大长深比的凹腔在降低总压损失方面更有优势。

图12　总压损失系数

图13(a)、图13(b)分别是D10L35A30、D10L80 A30两种凹腔不同组合方式的燃烧效率曲线,长深比为3.5的凹腔不同组合方式的燃烧效率与无凹腔的情况相当。长深比为8的凹腔不同组合方式均能有效提高燃烧效率,其中串联凹腔与单凹腔相当,并联凹腔的燃烧效率最大。这和上述定性分析、机理分析所得的结论一致,但这和文献[6]所得的结论有所差别,这是因为文献[6]采用的是单侧壁面燃料喷射,燃料并不能有效地进入到对侧凹腔,并且燃料进入凹腔前并没有与主流充分掺混,因此并联凹腔相互增强的优势并未完全体现,相反由于壁面燃料喷射燃料组分靠近壁面,串联凹腔能更明显的体现增强掺混与补燃的作用。长深比为8的并联凹腔出口的烧效率能达到0.98,这与文献[7]通过增加燃烧室的长度使凹腔与支板尾部距离150 mm时所达到的效果相近。说明通过大长深比并联凹腔与支板的组合能有效缩短燃烧室的长度,并且能通过提供更多放热量来降低总压损失。

图13　燃烧效率

3结论

文中对支板/多凹腔进行了数值研究,分析了不同组合方式、不同凹腔长深比对燃料掺混、总压损失、燃烧效率的影响,得出了以下结论:

1)多凹腔能增强燃料与主流的混合效率,并联凹腔能更早的实现燃料与主流的充分掺混,并且提供更大的亚声速混合区;

2)长深比为8的凹腔在增强掺混方面比长深比为3.5的凹腔效果好,但同时也带来更大的冷流总压损失,长深比为8的单凹腔、多凹腔在出口处的总压损失差别不大;

3)有化学反应时,长深比为3.5的凹腔串、并联对提高燃烧效率效果不明显;长深比为8的凹腔串、并联能显著提高混合效率和燃烧效率,虽然冷流场总压损失增大,但热流场总压损失比长深比为3.5的凹腔串、并联小,其中长深比为8的凹腔并联燃烧室性能较好,能有效缩短燃烧室长度。

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收稿日期:2014-06-13

作者简介:王应洋(1990-),男,四川隆昌人,硕士研究生,研究方向:超声速燃烧。

中图分类号:V231.3

文献标志码:A

Numerical Study on Supersonic Combustor Using Ethene with
Strut and Multi-cavity Combination

WANG Yingyang,LI Xuchang,WANG Hongyu,WU Zhenya

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Abstract:The numerical study based on the method of finite volume and equivalence ratio 0.6 has been carried out to investigate the influence of patterns of staggered rear strut and multi-cavity. Mixing efficiency, combustion efficiency, and total pressure loss were compared. The analysis shows that the mixing and combustion are improved for cavities mounted in both tandem and parallel. Parallel cavity can enhance the combustion efficiency by a more appropriate fuel distribution. L/D=3.5 doesn’t have good efficiency and can’t shorten chamber length. L/D=8 has the higher combustion efficiency. Moreover, parallel cavity with L/D=8 releases heat fast.

Keywords:supersonic combustion; strut; multi-cavity; structure combination; numerical simulation