超紧凑燃烧室进口速度对燃气掺混的影响

2016-08-03贾译钧周蕊燕沈阳航空航天大学能源与环境学院辽宁沈阳036沈阳航空航天大学航空航天工程学部辽宁沈阳036

国防制造技术 2016年1期

贾译钧周蕊燕（沈阳航空航天大学能源与环境学院，辽宁沈阳，036；沈阳航空航天大学航空航天工程学部，辽宁沈阳，036）

超紧凑燃烧室进口速度对燃气掺混的影响

贾译钧1周蕊燕2
（1 沈阳航空航天大学能源与环境学院，辽宁沈阳，110136；2 沈阳航空航天大学航空航天工程学部，辽宁沈阳，110136）

在超紧凑燃烧室中，燃油在周向环腔中燃烧后，高温燃气进入叶间通道与主气流发生掺混作用后排出并对涡轮做功。本文利用FLUENT软件数值模拟了不同主气流进口速度和不同二次射流进口速度条件下，高温燃气稀释掺混效果，并指出二次射流进口速度增大，主气流进口速度减小有利于高温燃气充分稀释掺混，反之，则不利于高温燃气稀释掺混。

超紧凑燃烧室；燃烧特性；流动特性；稀释掺混；数值模拟

提高航空发动机推质比，降低燃油消耗是航空发动机技术发展的必然趋势和道路。美国空军实验室根据Lewis提出离心力能增加火焰传播速率［1］的理论，结合驻涡燃烧室理论，提出了超紧凑燃烧室结构（ultra-compact combustor，UCC）。UCC因其主燃区在周向燃烧环腔中，从而明显缩短了燃烧室轴向长度。与传统燃烧室相比，UCC能在保持相同尺寸的前提下，明显提高燃烧性能，提高发动机推重比。

目前国内外对UCC做了大量研究。Anthenien［2］研究指出将UCC作主燃烧室的发动机比传统燃烧室作主燃烧室的发动机轴向长度可缩短达66%。Cottle［3］研究了UCC气流分配的问题，指出从压气机出来的空气70%进入主气流入口，30%进入二次射流入口最理想。

本文用计算流体力学（CFD）的方法研究主流和二次射流进口速度大小对UCC内高温燃气稀释掺混作用的影响。对出口温度分布优化具有借鉴意义。

1 物理与数值模型

图1是本文UCC物理模型结构。燃油在燃烧环腔内燃烧，高温燃气再进入叶间通道与主流空气稀释掺混后从出口排出。UCC尺寸设计参考了美国空军实验室的试验装置。燃烧室周向环形腔沿轴向长度L为25.4mm，沿径向高度H为16.5mm，主气流进气道高度为9.5mm。在燃烧环腔上沿周向均匀分布6个燃油喷嘴。每个喷嘴周围分布4个二次空气射流入口，射流方向与径向方向夹角45°。中心体半径为28.6mm。在中心体上均匀分布6个涡轮导向叶片。在叶片的同侧开有径向凹槽（Radial Vane Cavity，RVC）。

2 计算方法及模型选择

用CFD商业软件FLUENT在DELL服务器上进行。由于燃烧环腔内具有旋流运动，湍流模型选择realizable k-ε湍流模型。燃烧模型采用适合湍流扩散火焰的β函数描述的概率密度（PDF）函数模型。辐射模型选择P1辐射模型。压力格式选择PRESTO格式。采用SIMPLEC算法处理压力-速度耦合进行稳态计算。

表1 计算工况条件

图1 UCC结构示意图

3 边界条件

主流进口和二次射流进口都为速度入口，进口温度800K。出口为压力出口。两侧面为旋转周期面。具体工况条件见表1。S代表二次射流进口速度，M代表主气流进口速度，数字代表速度大小。后文相同，不再赘述。

4 计算结果与分析

图2 叶间通道径向中间层温场云图

4.1 叶间通道径向中间层温场分布

图2所示为叶间通道径向中间层温场分布云图。在工况M20中，燃烧环腔右侧区域，几乎所有的主流空气都参与到高温燃气稀释掺混过程，且高温区域向旋流方向发生偏转。表明燃烧环腔内的高温燃气在叶间通道与主气流掺混后，将周向动量传递给主气流。随着主气流进口速度增大，在工况M60和M100中，这种现象逐渐减弱甚至消失。但在工况M60中，工况S100M60的偏转效应强于工况S60M60。这是因为在工况S100M60中，二次射流进口速度仍然明显大于主气流进口速度。在工况M60、M100中，有一部分主流空气几乎未与高温燃气发生稀释掺混作用，就直接由出口排出。这种现象随着S减小，M增大变得更加明显。

图3 叶间通道中心纵截面温场分布云图

4.2 叶间通道中心纵截面温场分布

图3所示为叶间通道中心处纵截面温场分布云图。在工况M20中，高温区域几乎充满燃烧环腔右侧整个叶间通道和尾部区域。且工况S100M20的掺混区域左侧边界线比工况S60M20对应的左侧边界线更靠近主气流进口。这是因为，在工况M20中主气流进口速度较小，动量较低。二次射流进口速度较大，高温燃气动量较大。高温燃气能够穿透叶间通道内的主气流，与叶间通道底部的低温空气发生稀释掺混作用，使整个叶间通道内主气流温度都升高。与工况S60M20相比，工况S100M20二次流进口速度更大，高温燃气对叶间通道内主气流穿透作用更强，因此掺混区域左侧边界更加靠近主流入口。然而在工况S60M100中，在叶间通道内，高温区域仅仅分布在叶间通道上壁面附近。其它大部分区域温度比较接近主气流入口温度800K。这是因为在工况S60M100中，主气流速度较大，二次射流进口速度相对较小。高温燃气动量较小，对叶间通道内主气流的穿透作用较弱。使高温燃气几乎紧贴叶间通道上壁面流出燃烧室。导致叶间通道下面大部分主气流几乎未参与到高温燃气的稀释掺混过程中。以较低的温度直接排出燃烧室。对比各种工况可发现，这种现象随着S增大，M减小而减弱甚至消失。