扰流片对驻涡燃烧室性能影响的研究

魏佳加，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)



扰流片对驻涡燃烧室性能影响的研究

魏佳加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)

为了研究含扰流片的驻涡燃烧室燃烧及内部流动性能，对不同扰流片的个数和进口速度的燃烧室的燃烧情况进行数值模拟，分析燃烧室燃烧时的流场分布、温度分布、总压损失以及燃烧效率。结果表明：扰流片能够增强燃气的掺混和热交换，可以极大的提高燃烧室的燃烧效率(最高可达99.99%)，改善出口温度分布；随着扰流片个数和入口速度的增加，总压损失和燃烧效率都逐渐增大；当扰流片为四个时，燃烧室流场稳定，燃烧效率高且温度分布均匀。

驻涡燃烧室；扰流片；双旋涡；数值模拟

本文引用格式：魏佳加，曾卓雄，徐义华.扰流片对驻涡燃烧室性能影响的研究[J].兵器装备工程学报，2016(8):164-168.

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)的概念，目前已经发展到第4代。

多年来，国内外开展了很多研究，获得了很多有价值的研究成果：如有关驻涡区结构参数的优化设计[1-3]、驻涡区油气进入方案[4-5]、预混燃烧特性等等[6]。这些研究揭示了驻涡燃烧室的结构和性能特点，为驻涡燃烧室的设计和应用奠定了技术基础，也证明了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。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，为了实现驻涡区中形成理想的双涡结构，需要驻涡区前后壁的进气速度比的恰当匹配，或者依靠凹腔后壁面得到喷射来形成[7-8]，而不同的燃烧室结构对应的速度比不同，应用起来非常不方便。Agarwal等[9]提出了将导流片与TVC结合的概念，通过将部分主流气体引入凹腔，可方便地形成稳定的双涡结构。但是研究发现，仅存在导流片结构的驻涡燃烧室的燃烧效率较低。

为了提高燃烧室的燃烧效率等性能，在前人研究的基础上，在燃烧室内部加入扰流片，通过改变导流片个数和燃烧室进口速度，对其内部燃烧湍流流场进行数值模拟，研究燃烧室的性能。

1　几何模型及计算条件

1.1几何模型

燃烧室的三维几何模型如图1所示。燃烧室总长为300 mm，进口截面宽为120 mm，高H=50 mm，凹腔长度L=70 mm，凹腔高度B=70 mm，扰流片倾斜角度为45°。图2为Z=30 mm的二维截面图。图2中b为导流片深入凹腔的长度，h为导流片与进口壁面的距离，l为导流片与凹腔前壁面的距离。

图1　燃烧室几何模型

图2　Z=30 mm维截面

1.2计算条件

数值模拟计算采用的是不可压缩的N-S方程，模型采用Realizablek-ε湍流模型，近壁面使用标准的壁面函数法模拟，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，对流项使用二阶迎风差分格式，扩散项采用二阶中心差分格式。燃烧室的进口边界条件设为速度入口。出口边界条件设置为压力出口，出口压力为101 325 Pa。空气与甲烷预混燃烧，燃烧模型为通用有限速率模型，湍流-化学反应相互作用模型为涡耗散模型(反应速率由涡耗散模型确定)。

扰流片的个数记为M，每个扰流片的宽都为10 mm，整个燃烧室的当量比为0.6，初始温度为300 K。导流片个数M取3个，4个,5个，7个和8个。进口速度选取分别25 m/s，50 m/s和75 m/s。

1.3算例验证

为验证本文计算的合理性，对含扰流片的驻涡燃烧室进行了数值模拟，并将模拟结果与文献[9]的实验结果进行了对比。由图3可知，计算结果与实验值相对误差为8%左右，差异很小，从而表明本文所用的数值模拟计算方法是可信的。

图3　燃烧室出口平均温度

2　计算结果与分析

为了验证加入扰流片后对燃烧室性能的影响，在初始条件相同的情况下，对无扰流片TVC与含扰流片TVC进行对比研究。图4为Z=30 mm截面温度分布云图，由图可见，带扰流片的燃烧室最高温度低于不带扰流片的燃烧室，但是，加入扰流片后燃烧室内部温度分布更加均匀，表明扰流片的引入能够增加掺混，使燃烧更充分，更均匀。

图4　温度云图对比

加入扰流片后驻涡燃烧室具有明显的燃烧性能优势，但是扰流片的加入会带来一部分总压损失。燃烧效率与总压损失的对比见图5，由图可以看出，加入扰流片后燃烧室的总压损失从4.4%增加到7.7%，燃烧效率从69.33%增加到99.8%。充分说明加入扰流片后起到增强掺混的作用。

为了进一步说明扰流片增强燃料掺混的作用，对加入四个扰流片和不加扰流的燃烧室的凹腔部分采用场协同理论进行流动和传热性能分析。分析结果如图5所示，对流换热性能不仅仅取决于速度、温差和流体物性，还取决于速度场与温度场的协同情况，要强化换热应该尽量减小速度矢量和温度梯度之间的夹角，即减小协同角，由图4可以看出，加入扰流片后凹腔的协同角要比不加扰流片时低得多，也就是说加入扰流片后，燃烧室凹腔内的流场与温度场协同程度较佳，更有利于燃烧换热。

图5　有无扰流片对比

图6　协同场分布

加入扰流片的驻涡燃烧室具有明显的燃烧性能优势，但是扰流片的引入会带来一部分总压损失，扰流片的个数以及进口速度对燃烧室性能也有一定的影响。

2.1总压损失

气流流经燃烧室时会产生流失损失，这不可避免地使气流的总压下降，影响燃气的做功能力，从而影响发动机的性能。引入总压恢复系数δ*，其计算公式为：

(1)

图7所示为燃烧情况下燃烧室的总压损失。由图可见，扰流片不变时，速度越大，总压损失越大，最小为2%。速度一定时，扰流片个数越多，总压损失也越大。这是因为进口速度越大，进气与燃烧室内主流之间的混合损失增大。另外随着扰流片个数的增加，气流通过扰流片时，产生的附加压力损失也随之增大。因此应尽量降低入口速度，在入口速度为25m/s时，随着扰流片个数的增加，总压损失从2%增加到6.7%。

图7　不同M下总压损失变化

2.2燃烧效率

燃烧效率的定义为:

(2)

式中:Yin为进口处燃料的质量分数，Yout为出口处未燃烧燃料的质量分数。

不同工况下燃烧效率的变化规律如图8所示。由图可知，随着速度和扰流片的增加，燃烧效率都呈增大趋势，最低出现在入口速度为75 m/s，扰流片个数为3个时，为90%，速度不变，当扰流片个数增加到7个时，燃烧效率增大到99.99%。这是由于，一方面随着扰流片的增加，凹腔内形成稳定的双涡结构，形成稳定的点火源；另一方面，扰流片能使流过燃烧通道的主流气体和底部产生的热燃气更好更快地掺混,从而提高燃烧室的燃烧性能。这也证明扰流片确实可以提高燃烧室的燃烧效率。

图8　不同M下燃烧效率的变化

2.3速度流场分析

为了方便研究扰流片对燃烧室内部流场的影响，取进口速度为50 m/s,图9为不同扰流片个数下Z=30 mm截面速度流场分布。可以看出，对于不同的扰流片个数M，除了M=3时，没有形成稳定的双涡结构外，其他情况下，凹腔内均形成两个稳定的驻涡，主涡位于凹腔底部，涡心基本居于凹腔中心位置，可见扰流片个数对凹腔内的的主涡的形成影响不大。

副涡靠近扰流片，随着扰流片个数的增加，靠近扰流片处气流速度增大，造成旋涡强度越大,涡旋转越快,这将有利于燃料的快速、均匀掺混，从而提高燃烧室的燃烧效率和使燃烧室温度分布更加均匀。

图9　不同M下Z=30 mm截面速度流场分布

2.4燃烧室温度分布

速度为50 m/s时，燃烧室Z=30 mm截面温度分布如图10所示，扰流片对温度分布影响不大。燃烧室内高温区域主要集中在凹腔内部以及燃烧室中后段，以及靠近扰流片部分，这说明燃烧主要发生在凹腔及靠近扰流片处。在凹腔中心回流区形成一个高温区，在这个区域主涡形成稳定的点火源，产生稳定的值班火焰。副涡在扰流片下方，与扰流片起到增强掺混的效果，使得燃烧更充分，温度分布更加均匀。

当扰流片个数增加到8个时，可以明显看出燃烧室温度下降，这是由于随着扰流片个数增加到8个时，由图9可以看出，在扰流片下方已经不能形成副涡，不能更好掺混。

因此，对本文来说，扰流片个数不能选取太大的值。

2.5湍动能分析

当速度为50 m/s时，燃烧室Z=30 mm截面湍动能分布如图11所示，湍动能主要来源于时均流，通过雷诺切应力做功给湍流提供能量。由图11可以看出，扰流片下方湍动能最高，向凹腔和燃烧室后半部分逐渐减弱。

扰流片个数为4，5和6个时，燃烧室凹腔和扰流片下方湍动能分布比较均匀，高强度的湍动能区域主要集中在凹腔和扰流片下方。当扰流片个数大于7个时，湍动能继续增大，凹腔内的湍动能也很高，而较高的湍动能表示流动不平稳，不利于凹腔内火焰的稳定驻留，因此扰流片个数不宜过多，总之，确定扰流片个数时应该考虑湍动能的影响。

图10　不同M下Z=30 mm截面温度云图

图11　不同M下Z=30 mm截面湍动能分布

2.6出口温度分布及NO排放

出口温度分布对涡轮的工作环境和寿命影响很大,燃烧室出口温度分布系数(OTDF)是衡量出口温度分布好坏的重要指标，OTDF的数值常在0.25～0.35且越低越好，其公式如下：

(3)

其中：T4max为出口的最高温度；T4ave为出口平均温度；T3ave为进口平均温度。

因此有必要对含扰流片TVC的出口温度分布进行分析。扰流片个数M对燃烧室出口截面温度分布的影响如图12所示。由图可知，燃烧室出口系数OTDF的值介于0.25～0.35，且随着扰流片个数的增加先减小后增大。扰流片个数为3个时，OTDF为0.024 6。当扰流片个数较小时，扰流片不能配合副涡起到增强掺混和热传递的作用，从而导致燃烧不充分，出口温度分布不均匀，燃烧室出口系数OTDF较大。

图12　不同扰流片个数下的OTDF

3　结论

本文对含扰流片的驻涡燃烧室进行了数值模拟，分析了不同进口速度和扰流片的个数对燃烧效率，总压损失，湍动能的影响，得出以下结论：

1) 驻涡燃烧室引进扰流片后，明显增强了掺混效果，并且有利于凹腔火焰的稳定，大幅度提高燃烧效率，改善出口温度分布。

2) 随着扰流片个数的增加，燃烧效率越来越高，总压损失越来越大,燃烧室出口温度系数先降低再增加。

3) 进口速度对燃烧效率影响不大，但对于总压损失影响特别大，因此对于含扰流片的驻涡燃烧室进口速度不宜过大。

4) 综合分析考虑，存在一个使燃烧室综合性能扰流片最优个数，本文认为为4个。

[1]HSU K Y,GOSS L P,ROQUEMORE W M.Characteristics of a trapped vortex combustor[J].Journal of Propulsion and Power,1998,14(1)：57- 65.

[2]何小民,王家骅.驻涡火焰稳定器冷态流场特性的初步研究[J].航空动力学报,2002,17(5):567 -571.

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[4]ROQUEMORE W M,SHOUSE D,BURRUS D,et al.Trapped vortex combustor concept for gas turbine engines[J].AIAA-2001-0483.

[5]何小民,许金生,苏俊卿.驻涡区进口结构参数影响T VC燃烧性能的实验[J].航空学报,2007,22(11):1798-1802.

[6]孙海俊，曾卓雄，徐义华，等 AVC 预混燃烧流动特性的数值模拟[J].科学技术与工程,2013,13(17):4843-4849.

[7]MEYER T R,BROWN M S,FONOV S,et al.Optical Diagnostics And Numerical Characterization Of A Trapped-vortex Combustor[R].AIAA2002-3863.

[8]STONE C,MENON S.Simulation of fuel—Air Mixing and Combustion in a Trapped—Vortex Combustor[R].AIAA2000-0478.

[9]AGARWAL K K,KRISHNA S,RAVIKRISHNA R V.Mixing Enhancement in a Compact Trapped Vortex Combustor[J].Combustion Science and Technology,2013,185(3):363-378.

(责任编辑杨继森)

Effect of Inclined Struts on Trapped Vortex Combustor

WEI Jia-Jia1, ZENG Zhuo-xiong2, XU Yi-hua1

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

In order to investigate the combustion and flow characteristics of trapped vortex combustor(TVC) with inclined struts, the effects of different structural parameters on flow fields, temperature distribution, the total pressure loss, combustion efficiency and combustion efficiency were numerically studied. The results show that the inclined struts can enhance the mixing of gas and heat exchange，meanwhile it can greatly increase the combustion efficiency, and the best combustion efficiency is 99.99%, and improve the exit temperature distribution. With the number of inclined struts and velocity of inlet increase, total pressure losses and combustion efficiency are gradually increased；Stable combustor with high combustion efficiency and combustor temperature distribution becomes more uniform when the number of inclined struts is 4.

trapped vortex combustor；inclined struts；double-vortex；numerical simulation

；

国家自然科学基金项目(51066006，51266013)

魏佳加(1988—)，男，硕士研究生，主要从事航空工程研究。

10.11809/scbgxb2016.08.037

format:WEI Jia-Jia, ZENG Zhuo-xiong, XU Yi-hua.Effect of Inclined Struts on Trapped Vortex Combustor[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):164-168.

V231.2

A

2096-2304(2016)08-0164-05

【基础理论与应用研究】