超紧凑燃烧室内流场水流模拟实验研究

王力军，周辉，贾译钧，江金涛

(沈阳航空航天大学a.能源与环境学院；b.航空航天工程学部，沈阳110136)

超紧凑燃烧室内流场水流模拟实验研究

王力军a，周辉b，贾译钧a，江金涛a

(沈阳航空航天大学a.能源与环境学院；b.航空航天工程学部，沈阳110136)

为探究超紧凑燃烧室内流场结构和数值模拟结果的准确性，根据相似原理，搭建了超紧凑燃烧室内冷态流场水流模拟实验装置。用红墨水作示踪剂，显示超紧凑燃烧室周向环腔内不同位置的流场轨迹。在满足与水流模拟实验雷诺数相等的情况下，以空气为介质用Fluent软件对超紧凑燃烧室内冷态流场进行数值模拟。数值模拟与水流模拟实验结果对比表明，所得流动轨迹形状相似，运动趋势一致。利用水流代替空气流研究超紧凑燃烧室内冷态流场特性，能更直观地验证流场结构数值模拟结果的可靠性。

航空发动机；超紧凑燃烧室；相似原理；水流模拟；流场特性；数值分析；流动轨迹

1 引言

航空发动机燃烧室实验条件，特别是实验用气源条件，往往达不到发动机燃烧室进口空气压力和流量条件要求，绝大多数实验用气源的能力不能满足燃烧室较高工作状态下的全参数实验要求[1-2]。此外，由于空气为无色透明气体，实验时对气态流场进行可视化观察比较困难[3-5]。虽然可用PIV技术检测气态流场速度等参数，但成本相对较高，且只有部分研究所、高校和企业具备这样的条件。因此，基于相似原理，利用水流代替空气进行燃烧室内流场研究不失为为一种经济可行的方法。

本文基于相似原理，构建了一套航空发动机燃烧室内流场水流模拟实验台系统，研究超紧凑燃烧室(UCC)[6-8]内冷态流场分布特性。同时，利用数值模拟方法研究了超紧凑燃烧室内冷态流场特性，并与水流模拟实验结果进行了对比验证。

2 模型与实验设备

2.1 水流模拟实验台

图1为构建的航空发动机超紧凑燃烧室内流场水流模拟实验台系统，该实验台能进行超紧凑燃烧室内冷态流场模拟。水泵1、水泵2注入的水流分别代表进入超紧凑燃烧室的主流空气和二次射流空气，水泵3可注入另外一种液体代表进入燃烧室的燃油。根据相似原理，当相似准数相等时，可用水流代替燃油。水泵1、水泵2、水泵3的最大供水量，分别为40 m3/h、13 m3/h和6 m3/h。水路1、水路2、水路3上各安装一个电磁流量计测定水流流量，并将信息反馈到PLC自动控制柜，从而达到流量自动控制。实验过程中，选用尼康D7000单反相机对示踪剂(红墨水)所示流场轨迹进行拍照和摄像。

2.2 实验与数值模拟方案

设定了三个实验方案。方案一，用水流模拟超紧凑燃烧室周向环腔内冷态流场轨迹。该方案需开启水路1和水路2，用红墨水作为示踪剂来显示周向环腔内流场轨迹。方案二，用水流模拟超紧凑燃烧室二次射流入口处流场轨迹。该方案需开启水路1和水路2，示踪剂直接注入水路2中，以便显示二次射流入口处流场轨迹。方案三，用水流模拟燃油喷嘴处燃油轨迹。该方案需同时开启水路1、水路2、水路3。其中，水路3代表燃油，示踪剂直接注入水路3中，以便显示燃油喷嘴处燃油轨迹。实验工况见表1，数值模拟工况见表2。本文根据数值模型所搭建的模型实验台，可保证数值模拟工况与水流模拟实验工况的雷诺数相等[9]。根据下式，可得出实验水流与数值计算空气的速度之比。

式中：ρ表示密度，v表示速度，L表示特征长度，μ表示动力粘度，下标a表示空气，下标l表示水。其中水和空气的密度与动力粘度均为常量，设定实验台模型与数值模拟模型特征长度之比为2。

表1 实验工况Table 1 Experimental conditions

表2 数值模拟工况Table 2 Numerical calculation conditions

3 超紧凑燃烧室模型

超紧凑燃烧室模型的设计，参照了美国空军研究实验室的超紧凑燃烧室实验模型[10-11]，见图2。其环腔宽124 mm，高73 mm，内径330 mm。轴向主气流环形通道内径为150 mm，外径为184 mm。径向叶片高17 mm。环腔盖上周向均匀分布6个燃油喷嘴，喷口内径3 mm。每个燃油喷嘴周围分布4个二次空气射流喷管，与径向的夹角为45°。二次空气射流入口直径10 mm。燃烧室中央轴上，周向均匀布置6个涡轮叶片。涡轮叶片均设计有径向凹槽，位于燃油孔正下方，径向凹槽前端面为45°倾斜面。选择超紧凑燃烧室1/6扇形区域为计算域。计算域两侧设为旋转周期面，总网格数约为113万。计算过程中，y+控制在100以内。由于超紧凑燃烧室周向环腔内存在较强的旋转流动，计算选用Realizablek-ε湍流模型[12]。入口边界条件设为速度入口。

4 结果与分析

4.1 中央环腔处流场轨迹

图3示出了超紧凑燃烧室中央环腔处横截面流线轨迹的实验结果与数值模拟结果。从图3(a)可见，流线簇右端紧密(即径向范围小)，左端稀疏(即径向范围大)，这表明环腔内旋流存在径向速度。从图3(b)可见，左端迹线范围明显比右端迹线范围宽，这表明该迹线对应的旋流存在着径向速度。对比两种结果，实验流线轨迹与数值模拟流线轨迹在相同位置处形状相似，运动趋势较为一致，这表明实验结果与数值模拟结果吻合较好。

4.2 二次射流入口处流场轨迹

图4示出了超紧凑燃烧室二次射流入口处轨迹的实验结果与数值模拟结果。从图中可看出，实验中用红墨水标记出的流线轨迹与数值模拟的流线轨迹在相同位置处形状相似，运动趋势一致。二次射流进入环腔后，在环腔内旋流的作用下改变初始速度方向，向旋流流动方向一侧偏转。虽然二次射流入口方向与半径方向夹角为45°，但在旋流强烈作用下，二次射流进入环腔后几乎贴着环腔上壁面沿周向方向运动。这是因为环腔内靠近上壁面处作圆周运动的旋流在离心力的作用下，具有沿半径向外运动的趋势，导致旋流对进入环腔的二次射流进行挤压，致使二次射流改变进入环腔的初始速度方向。

4.3 燃油喷嘴处燃油轨迹

图5示出了燃油喷嘴出口处燃油颗粒轨迹的实验结果与数值模拟结果。从图中可看出，实验中用红墨水标记出的流线轨迹与数值模拟的流线轨迹在相同位置处形状相似，运动趋势一致。在2路水流形成的旋流作用下，模拟航空煤油的3路水流方向发生了偏转。这是由于环腔内作圆周运动的旋流，在离心力作用下具有沿半径向外运动的趋势。该旋流向外挤压从燃油喷嘴处进入的3路水流，使之方向发生偏转，且偏转方向与旋流运动方向一致。

5 结论

根据相似原理，利用水流模拟实验研究了超紧凑燃烧室内冷态流场。同时，在满足与水流模拟实验雷诺数相等的情况下，以空气为介质对燃烧室内冷态流场进行了数值模拟，并与水流模拟实验结果进行了对比验证。结果表明：数值模拟所得流场轨迹与水流模拟实验所得流场轨迹，其形状和结构相似，流动规律一致。基于相似原理，利用水流代替空气对超紧凑燃烧室内冷态流场进行可视化模拟，能更直观地验证流场结构数值模拟结果的可靠性。

[1]赵钦煊.相似原理在燃烧室研制中的应用[J].航空制造工程，1997，(5)：18—20.

[2]郭海涛，朱锋，赵俊，等.相似原理在燃气轮机离心压缩机组能耗计算中的应用[J].石油规划设计，2014，25(6)：16—19.

[3]董薇，陆雷.可视化模拟在燃烧器中的应用[J].南京工业大学学报，2006，28(5)：80—92.

[4]Sun B G，Li X R，Du W.Laser measurement and intensity evaluation of intake swirl in engine using a water analog [J].Journal of Beijing Institute of Technology，2000，9(4)：391—396.

[5]秦颂，董华.重气扩散的盐水模拟[J].能源技术，2007，28(2)：66—69.

[6]Anthenien R A，Mantz R A，Roquemore W M，at al.Exper⁃imental results for a novel,high swirl,ultra compact com⁃bustor for gas turbine engines[C]//.2nd Joint Meeting of the US sections of the Combustion Institute.Oakland：2001.

[7]Zelina J，Ehret J，Hancock R D，et al.Ultra compact com⁃bustor technology using high swirl for enhanced burning rate[R].AIAA 2002-3725，2002.

[8]Quaale R J.Experimental results for a high swirl,ultra compact combustor for gas turbine engines[D].Ohio：Air force Institute of Technology，2003.

[9]孙文策.工程流体力学[M].辽宁大连：大连理工大学出版社，2007.

[10]Greenwood R T.Numerical analysis and optimization of the ultra compact combustor[D].Ohio：Air Force Institute of Technology，2005.

[11]Anisko J.Numerical investigation of cavity-vane interac⁃tions within the ultra compact combustor[R].AIAA 2006-805，2006.

[12]Fluent Inc.FLUENT User’s guide[M].New Hampshire：Fluent Inc.，2006.

Experimental investigation of flow field in an ultra compact combustor

WANG Li-juna，ZHOU Huib，JIA Yi-juna，JIANG Jin-taoa
(a.College of Energy and Environment；b.Faculty of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China)

In order to investigate the accuracy of flow structure and numerical results in ultra compact com⁃bustor(UCC),a water analog experimental rig was established to simulate the cold flow field in ultra com⁃pact combustor based on similarity principle.The different streamlines in the circumferential cavity were shown when red ink was used as the tracer material.Fluent was used to simulate the cold flow field,in which the Reynolds number was equal between experiment and numerical simulation.The results show that the tracks and flowing trends are similar between the streamlines obtained from experiments and those of nu⁃merical simulation,indicating that it is feasible to investigate the gas flow characteristics in ultra compact combustor by substituted water flow and to validate the creditability of flow field structures by numerical simulation.

aero-engine;ultra compact combustor；similarity principle；water flow simulation；flowfield characteristics；numerical simulation；streamline track

V231.1

：A

：1672-2620(2017)01-0032-04

2016-03-29；

：2016-11-18

王力军(1963-)，男，辽宁开原人，博士，副教授，主要从事航空发动机燃烧设计与分析技术研究。