燃油流量对防火试验火焰特征的影响*

王　伟，广　才，尹莉萍

(中国民航大学 天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300)

0　引言

航空安全问题一直是业内的关注焦点[1], 《航空发动机适航规定》[2]第33.17条规定，航空发动机的设计和构造及所用的材料必须使着火危害减至最小，说明为了完成航空器型号合格审定工作，必须进行航空发动机的防火审定，以证明航空发动机对防火条款的符合性[3]。而防火试验通常是表明发动机安装及其部件满足符合性要求最常用、最有效的方法，动力装置安装和推进系统部件防火试验方法、标准和准则(AC20-135)[4]规定了用于发动机安装及毗邻指定火区中的材料与部件防火试验的试验设备即燃烧器标准、试验准则和可接受的燃烧器的类型，美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)现指定NexGen燃烧器开展防火试验[5]。

动力装置报告(No.3A)[6]规定了防火试验的试验方法和程序，但是并没有指明适用的试验条件，如空气和燃油流量，而不同的燃油和空气流量产生的火焰特征不同[7]，且试验时都是通过调节流量来获得标准火焰的[8]，而标准火焰要同时满足温度和热流密度的要求，这就给标准火焰的获得造成很大困难，首先，温度和热流密度随燃油流量的变化规律可能不一致，即满足温度要求的流量可能不满足热流密度要求，其次，由于变化规律未知，会出现过调或者反复调节的情形，因此需要研究燃油流量对火焰特征(主要是温度和热流密度)的影响规律，据此合理调节燃油流量以获得满足规章要求的标准火焰。辛辛那提大学的Yi-Huan Kao[9]通过实验的方法研究燃油流量对火焰温度和热流密度的影响，结果表明指定点的平均温度和热流密度都随燃油流量的增加而线性增加，但其只研究了监测面上7个点的平均值，而没有考虑火焰稳定性和整个面内的分布，且燃油流量变化范围较小，因此需要进一步研究燃油流量对火焰特征的具体影响规律。

本文通过固定空气流量，逐渐改变燃油流量对NexGen燃烧器进行三维定常数值模拟，研究燃油流量对火焰特征的影响，分析不同燃油流量条件下火焰最高温度、火焰形状、指定位置处温度分布和平均温度、热流密度的变化，为防火试验试验条件的确定提供一定参考和依据。

1　计算模型及方法

1.1　几何和网格模型

NexGen燃烧器[10]简化几何模型由空气管、燃油管、静子叶片和扩张锥组成，其简化模型三视图如图1所示。

图1　NexGen燃烧器简化模型三视图Fig.1　Three views of simplified model of NexGen burner

在Ansys ICEM中对其进行网格划分，划分网格前在扩张锥后建立一个方形计算域以模拟气体从扩张锥出口喷射到大气环境中的流动状态，然后采用结构化的网格划分方法对其进行网格划分，总网格数量为245万，网格划分结果如图2所示。

图2　网格模型Fig.2　Computational mesh

1.2　计算边界条件设置

采用Ansys Fluent软件对其进行三维稳态数值模拟，计算时考虑重力影响。计算时采用的计算模型和边界条件设置如表1所示，其中V为速度，m/s；T为温度，K；I为湍流强度；d为水力直径，mm。

表1　计算模型和边界条件设置Table 1　Boundary conditions and computational model

1.3　有效性验证

目前针对NexGen燃烧器的实验研究数据较少，可用的仅有通风管出口的冷态流场数据[12]。实验研究了不同静子叶片位置对通风管出口下游流场的影响，由于实际燃烧器中静子叶片位于通风管出口上游101.6 mm处，而此处没有实验数据，因此选取静子叶片位于通风管出口上游76.2 mm和127 mm 2个位置处进行数值研究，比较仿真通风管出口下游101.6 mm处中心线上的无量纲速度分布与实验测量值的差别，如图3、图4所示，其中Z=0代表通风管出口，正方向为流向方向。从图3、图4可以看出，数值模拟计算得到的无量纲速度分布与实验测量的速度分布一致，都是双峰值的分布形式，只是峰值位置有稍许差别，最大偏差为5%，偏差在可接受范围内，说明数值计算的冷态流场是合理的。

图3　静子位于Z=-76 mm时的速度分布Fig.3　Velocity profile of stator at Z=-76 mm

图4　静子位于Z=-127 mm时的速度分布Fig.4　Velocity profile of stator at Z=-127 mm

2　计算结果及分析

2.1　最高温度

图5　最高温度随燃油流量变化Fig.5　Maximum temperature v.s fuel flow rate

这主要是因为在不超过贫富油极限的燃油流量条件和给定空气和燃油初始状态下，其最高燃烧温度是定值，如图6所示。图6表示温度随平均混合分数的变化，它是通过求解能量方程和混合分数输运方程得到的，由图6可知，当平均混合分数为0.068时，达到最高温度2 301 K。而高低温燃气之间有很强的辐射换热能力[13]，本文引入DO辐射模型以考虑燃气之间的辐射换热，辐射传热使燃气最高温度下降，但温度下降值相差不大，因此火焰最高温度基本不变。

图6　温度随平均混合分数变化Fig.6　Temperature v.s mean mixture fraction

2.2　火焰形状

图7表示纵切面(Y-Z平面)上温度云图分布，图8表示横切面(X-Z面)温度云图，图7只显示了上半部分，图8的显示范围为Z<1 m，-0.3

图7　纵切面(Y-Z面)温度云图Fig.7　Temperature contours of the Y-Z plane

图8　横切面(X-Z面)温度云图Fig.8　Temperature contours of the X-Z plane

图9　高温区域长宽比随燃油流量变化Fig.9　Aspect ratio v.s fuel flow rate

定义1 700 K以上温度为高温区域，以此温度区域在Z轴与X轴长度之比为高温区域长宽比，具体如图9所示， 由图7与图9可知，燃油流量越大，高温区域越细长，而且计算域出口温度随着燃油流量增加而增加。

图10表示火焰长度随燃油流量的变化，本文火焰长度指Cone喷嘴到温度峰值的距离。由图10可知，火焰长度随燃油流量的增加而增加。因为燃油流量增加，达到完全燃烧时所需要的空气量增加，而燃烧速率基本不变，因此达到完全燃烧所需距离增加，因此火焰长度增加。

由图10可知，火焰长度随燃油流量的变化曲线斜率逐渐减小，即火焰长度的增加率逐渐减小，这主要是因为随燃油流量的增加，火焰温度峰值位置逐渐向扩张锥出口移动，并逐渐移到计算域中，如图7、图8所示，而随着温度峰值向下游移动，火焰扩张，火焰面积增大，而能量的增加是一定的，因此火焰长度增加变缓。

图10　火焰长度随燃油流量的变化Fig.10　Flame length v.s fuel flow rate

2.3　监测面上温度和热流密度分布

由于防火试验时温度和热流密度校准位置及试验件摆放位置都位于燃烧器出口下游101.6 mm处，因此在该位置建立一个监测面以观察该面上温度和热流密度的分布情况，为防火试验时火焰校准位置的选择和试验件放置位置提供参考。图11表示监测面上温度分布，只显示了1.56 ，2和2.54 g/s 3个极具代表性的流量条件下的温度云图，显示范围为-0.15 m

监测面上温度分布和温度值主要受火焰长度的影响，结合图7和图8中监测面和温度峰值的相对位置、横切面和纵切面上温度分布可直观地看出监测面上温度分布的变化，图7和图8中用黑线代表监测面的位置。

由图11可知，随着燃油流量的增加，监测面上温度分布均匀性和规律性及大于2 000 K的高温区域的面积也先增加后降低，当燃油流量为2 g/s时，温度均匀性最好，高温区域的面积也最大。

由图11可知，监测面上温度分布受浮力作用而整体上移，但是上移幅度较小，仅有10 mm左右，占其流动距离的10%，说明浮力对监测面温度的影响有限，当开展防火试验时若将热电偶置于监测面中心线偏上10 mm±10 mm位置进行温度校准，继而进行部件防火试验时，部件较容易通过防火符合性验证。

图12表示监测面上热流密度分布，只显示了4个代表性流量条件下的热流密度分布，显示范围为-0.15 m

图11　监测面上温度云图Fig.11　Temperature contours of the monitoring plane

图12　监测面上热流密度云图Fig.12　Heat flux contours of the monitoring plane

由图12可知，热流密度最大值都位于监测面的中心位置，因此防火试验时若将热流计置于中心位置附近进行热流密度校准，在进行部件防火试验时，部件则较容易通过防火符合性验证。

2.4　7个测量点平均温度和热流密度变化

由于防火试验火焰校准是以民用飞机机载设备环境条件和试验方法指定火区的防火试验(ISO2685)[14]推荐的7个测量点的温度和热流密度为标准进行校准的，因此研究7个测量点平均温度和热流密度随燃油流量的变化。表2所示为Yi-Huan Kao[9]实验修正值与仿真指对比，最大温度误差为5.7%，最大热流密度误差为6.2%。误差均在可接受范围内，数值计算结果是有效的。

表2　仿真值与实验值对比Table 2　Simulation value v.s experimental value

图13表示7个测量点平均温度和温度不均匀系数随燃油流量的变化。由图13可知，随着燃油流量的增加，7个测量点的平均温度先增加，温度增加率逐渐减小，而后保持基本不变；然后逐渐减小，温度减小率基本不变，这主要是温度峰值位置及其变化率导致的，当温度峰值接近监测面时，监测面上温度升高，相应的7个测量点温度也升高，而且当燃油流量为2 g/s到2.11 g/s时，温度峰值位于监测面附近，平均温度达到最高。

(1)

由图13可知，7个测量点的温度不均匀系数随燃油流量的增加先降低后增加，这与监测面上温度分布均匀性一致，且2 g/s到2.11 g/s燃油流量下的温度不均匀系数较小，不到1%，说明其温度分布最均匀。

综合考虑平均温度值和温度不均匀系数可知，2 g/s到2.11 g/s燃油流量条件下的温度符合防火试验的温度要求。

图13　平均温度和温度不均匀系数随燃油流量的变化Fig.13　Average temperature and nonuniform coefficient v.s fuel flow rate

图14表示7个测量点平均热流密度值随燃油流量的变化。由图14可知，随着燃油流量的增加，7个测量点的平均热流密度先逐渐增加，然后保持基本不变，而且热流密度峰值流量滞后于温度峰值流量。这说明热流密度不仅仅跟温度有关，而是温度、CO、CO2等组分的联合分布函数[15]。

图14　平均热流密度随燃油流量的变化Fig.14　Average heat flux v.s fuel flow rate

由图14可知，当燃油流量大于2 g/s时，平均热流密度大于106 kW/m2，符合AC 20-135对防火试验火焰热流密度的要求。

3　结论

1)燃油流量对火焰最高温度几乎没有影响。

2)燃油流量对监测面上温度分布和7个测量点的平均温度、平均热流密度有很大影响，但对监测面上热流密度分布影响较小。随着燃油流量的增加，平均温度先增加然后保持不变之后再减小，温度不均匀系数则相反，平均热流密度先增加后保持基本不变，当燃油流量在2 g/s到2.11 g/s之间时，平均温度最高，监测面和7个测量点的温度均匀性较好，且热流密度也符合防火试验火焰的要求。

3)当空气流量为35.8 g/s时，2 g/s到2.11 g/s的燃油流量即余气系数为1.15到1.22时能够用于发动机部件的防火试验。

4)防火试验温度和热流密度校准点位于监测面中心位置附近时，在进行部件防火试验时部件较容易通过防火符合性验证。

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