NexGen燃烧器火焰特性和换热特性数值模拟研究

王 伟，李 阳

(中国民航大学a.民用航空器适航与维修重点实验室；b.中欧航空工程师学院，天津300300)

NexGen燃烧器火焰特性和换热特性数值模拟研究

王 伟a，李 阳b

(中国民航大学a.民用航空器适航与维修重点实验室；b.中欧航空工程师学院，天津300300)

航空发动机防火试验是发动机适航验证的重要组成部分。利用ANSYS软件对NexGen燃烧器建模仿真，选取RNG k-ε湍流模型和PDF燃烧模型，计算得到燃烧器的火焰分布、热流密度分布及温度分布。在此基础上进行平板试件冲击模拟试验，分析冲击火焰特性和冲击换热特性，重点研究了不同燃烧器旋流叶片倾角对试件换热的影响，得到当旋流叶片倾角为45°时平板温度最高、换热最大的结论，相应结果可为发动机防火试验提供指导。

航空发动机；适航标准；NexGen燃烧器；防火试验；热流密度；倾角；建模

1 引言

运输类飞机适航标准[1](CCAR 25部)对飞机和发动机材料、部件、切断阀及接头等连接件的防火性和耐火性有明确规定，而防火试验是进行防火符合性验证最常用的方法。指定位置的火焰温度和热流，是防火试验中影响试样耐火能力的两个最主要因素，AC20-135[2]中对这两项指标有着明确规定。美国联邦航空管理局(FAA)要求校准温度在1 093±83℃之间，平均温度≥1 093℃，热流密度≥106 kW/m2；欧洲航空安全局(EASA)要求温度在1 100±80℃之间，热流密度在106±10 kW/m2之间[3]。对于防火试验的研究有试验法和仿真法两种，国外的发动机防火试验研究以美国辛辛那提大学防火实验中心的为主。辛辛那提大学防火实验中心依托其完备的实验条件和设备，开展了大量的防火试验研究。研究内容包括燃烧器火焰温度和热流密度的影响因素，热电偶的测量方法及燃油和空气的流量等，并同时研究了燃烧器火焰分布与试件烧灼时间之间的关系，但试验并没有考虑浮升效应的影响和不同燃烧器倾角对试件换热的影响。

我国对发动机防火试验的研究较少，仅发布了一些组件的防火试验标准，实际的防火试验受制于设备的不完备进展缓慢。国内主要通过计算流体力学仿真软件，研究了燃烧器的火焰特性和流场特性以及燃烧和湍流模型对防火试验的影响。本文通过建立NexGen燃烧器的三维模型，在辛辛那提大学防火试验研究的基础上，分析燃烧器的火焰特性和平板换热特性，对比不同情况下平板温度分布和换热特性，并重点研究燃烧器旋流叶片倾角对平板试件换热的影响，以期为实际发动机防火试验的开展提供指导。

2 计算模型

平板冲击射流流动中包含自由射流区、停滞区和壁面射流区。对高温高速气体射流冲击换热进行数值模拟，主要以求解雷诺平均运动方程与脉动方程为基础，结合理论及经验提出的一系列模型假设，建立一组描写湍流平均量的封闭方程组。目前，研究者多采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型及LES模型研究冲击平板射流。本文对湍流过程的模拟使用RNG k-ε模型。尽管采用RNG k-ε湍流模型模拟气体射流冲击平板传热时有一定误差，但对于工程应用该误差在可接受范围内，且该模型可用于传热计算分析[4]。RNG k-ε湍流模型方程为：

式中：Gk是由层流速度梯度而产生的湍流动能，Gb是由浮力而产生的湍流动能，YM是在可压缩湍流中扩散产生的波动项，SK由用户定义。

对于燃烧模型，王海峰等[5]分别采用PDF、稳态和非稳态火焰面模型模拟一个值班湍流射流扩散火焰，得到PDF模型的计算结果与试验结果的符合性最好。因此本文选用PDF模型进行仿真计算。辐射模型选择Pn模型中最简单的P-1模型。在燃烧等光学厚度很大的问题中，P-1模型的计算效果都比较好。

3 网格模型与边界条件

3.1 几何模型与网格划分

NexGen航空燃油燃烧器的结构如图1所示，主要由通风管、燃油喷嘴、点火器、旋流器、扰流器以及扩张锥等组成。

若如实建立燃烧器的几何模型，燃油喷嘴、点火器、导流叶片和湍流发生器部分将大大增加几何模型的复杂度，并且由于这几部分网格要细化会导致网格数量大大增加，因而要进行合理简化。NexGen燃烧器使用的燃油喷嘴是80°Monarch PL型燃油喷嘴，其作用是使燃油雾化并形成80°角的中空锥形喷射，可以使用cone喷嘴模型代替。通过设置cone模式中的燃油粒子半径和旋流度，可以使油气更好地混合，同时可以简化扰流器。点火器的作用是产生瞬间高能点燃燃料，可以用高温区替代点火器。

依据FAA给出的尺寸建立模型，并建立边长为800 mm的正方体计算域和300 mm×300 mm的冲击平板试件。燃烧器几何模型如图2所示。

使用商用软件ANSYS ICEM建立NexGen燃烧器的网格模型，设置进口空气的雷诺数为24 675。在计算域内对截面处和扩张锥出口处分别加密。旋流器部分使用混合网格划分。总网格数为240万，其中计算域网格数占56%。燃烧器网格模型如图3所示。

3.2 边界条件

使用C12H 23代替Jet-A航空煤油和20组分的组分模型仿真燃烧反应。根据FAA设定的试验要求设置边界条件。其中空气使用速度入口边界条件，速度为3.642 m/s，空气入口湍流强度为4.6%，水力直径为0.1 m，喷嘴使用cone喷嘴模型，燃油流量设为0.001 kg/s，喷油速度为1.000 m/s，燃油温度设置为300 K。平板表面的热边界条件由能量平衡实现，试件平板材料选用6061铝，发射率设置为0.2。边界处设置为压力出口，湍流强度为5%。

4 计算结果分析

4.1 火焰特性分析

AC20-135和ISO2685对发动机防火试验燃烧器火焰温度和热流密度有严格要求。防火试验采用热电偶校准火焰，要求7个热电偶的平均温度在1 100± 80℃之间，同时热流密度在116±10 kW/m2之间。图4示出了仿真计算7个热电偶位置的温度和热流密度，平均温度为1 984 K，平均热流密度为117.3 kW/m2。辛辛那提大学防火实验中心热电偶实测温度平均约为1 400 K，考虑热点补偿损失真实平均温度在1 800～1 900 K之间[6]。可见仿真结果与试验结果相近，且满足AC20-135和ISO2685对发动机防火试验燃烧器火焰温度和热流密度的要求，故可认为得到的是标准火焰。

平板冲击火焰的温度和速度分布如图5所示。从速度图可以看出，空气在进气道通过旋流器时速度变大产生旋流，旋流器发挥了产生旋流使油气混合更充分的作用。气流从喷嘴喷出后，速度逐渐降低并在平板前有段回流区。气流到达平板时，冲击速度迅速减小为零，方向沿平板流出。在壁面附近，气流的压力和温度都急剧升高。由于浮升效应原因，火焰上漂明显。

4.2 冲击换热特性及燃烧器旋流叶片倾角的影响

平板周围气流分布是决定平板通风换热特性的关键因素[7]，平板表面换热的两种主要形式是对流换热和辐射换热[8]。对流换热量和辐射换热量的计算公式分别为：

式中：r为流体导热系数，Ts为平板温度，TM为冲击火焰温度，Nu为局部努赛尔数，C0为平板辐射系数，ws为平板表面发射率。可见，辐射换热量与温度成四次方关系，而对流换热量与温度成一次方关系。

平板的冲击换热特性如图6所示。平板中心区域换热最剧烈，此时辐射热流密度和总的热流密度最大，总热流密度最大值约为75 kW/m2，平均热流密度约为60 kW/m2。其中平板上的平均辐射热流密度约为45 kW/m2，约占总热流密度的75%。

考虑燃烧器倾斜时重力对浮升效应的影响，分别设定燃烧器旋流叶片倾角为0°、20°、45°和60°。图7示出了不同倾角下燃烧器的火焰形态。可见，随着倾角的增大，火焰的浮升效应越来越不明显，火焰分布相对越来越集中。这是因为倾角的增加，抵消了一部分产生浮升效应的重力因素。

此时考虑平板试件在不同倾角下的换热，分别选取平板上的热流密度、Nu数、温度及压力分布进行对比，结果数据见表1。同时，选取平板中心线处的温度和热流密度分布进行对比，结果如图8所示。从表1和图8中可看出，燃烧器从水平到倾斜45°的过程中，冲击面的热流密度逐渐升高，最大热流密度H ＝max约从74 kW/m2升高到101 kW/m2，表明冲击火焰与平板的换热加强。从静压pa和静温T ＝max(/ T ＝avg)的比较看，冲击流的最高静压和静温都有所增加，平板中心线上温度分布越来越集中且逐渐增大，从1 100 K增加到1 300 K左右。射流的冲击换热作用有所加强，这是因为在冲击换热表面速度梯度增大，边界层变薄，导致换热加强。但继续增大倾斜角度，换热反而会变小。但表征对流换热剧烈程度的努塞尔数Nu ＝max有逐渐增大的趋势，说明对流换热密度随着倾角的增加而增加。另一方面，燃烧器旋流器角度大于零时火焰冲击压强更大。

表1 倾角为0°、20°、45°和60°的结果数据Table 1 Results of inclination of 0°,20°,45°,60°

5 结论

利用ANSYS软件建立了NexGen燃烧器的几何模型和网格模型，利用数值计算方法得到了自由火焰和冲击火焰的温度场、热流密度、速度场等分布，并且满足发动机防火试验的试航要求。同时，分析了平板试件火焰冲击的热交换特性，得到了辐射换热量约占到总换热量75%的结论。最后考虑到火焰的浮升效应，对比了燃烧器倾角分别为0°、20o、45°和60°时的平板换热特性，得出当倾角为45°时换热最剧烈和试件平板温度最高的结论。相关结论可为发动机适航审定防火试验提供指导，后继还将深入研究试件摆放方式对换热的影响。

[1]CCAR-25-R4，运输类飞机适航标准[S].

[2]Advisory circular 20-135:Powerplant installation and pro⁃pulsion system component fire protection test methods[S].

[3]CFR14 Part 33，Airworthiness standards:Aircraft engines [S].

[4]刘小军，傅德彬，牛青林，等.燃气射流冲击传热特性的数值模拟[J].爆炸与冲击，2015，35(2)：229—235.

[5]王海峰，陈义良，刘明侯.湍流扩散燃烧的数值研究——PDF方法和火焰面模型的性能比较[J].工程热物理学报，2005，26(S1)：241—244.

[6]Kao Y H.Experimental investigation of NexGen and gas burner for FAA fire test[D].Cincinnati：University of Cin⁃cinnati，2012.

[7]韩雅慧.气体压力对气流冲击平板换热特性的影响研究[J].制造业自动化，2012，12：93—103.

[8]杨世铭，陶文栓.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：13—57，498.

Num erical sim u lation analysis of flam e and heat transfer characteristics of NexGen bu rner

WANG Weia，LI Yangb
(a.Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance；b.Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

Aero-engine fire test is an important part of airworthiness certification.The NexGen burner was simulated and analyzed by ANSYS.W ith RNG k-εturbulence model and PDF combustion model,the dis⁃tribution of flame,heat flux density and temperature field were obtained.On this basis,the plate impact sim⁃ulation test was carried out to analyze the characteristics of flame and heat transfer,focusing on the effect of the different inclination of swirling vane on the heat transfer.The results show that the plate has the highest temperature and heat transfer value when the inclination angle is 45°,which can provide guidance for the engine fire experiments.

aero-engine；airworthiness standars；NexGen burner；fire test；heat flux density；inclination；modeling

V241.06

：A

：1672-2620(2017)02-0058-05

2016-07-27；

：2016-09-29

中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室开放基金；中央高校基本科研业务费专项基金(ZXH 2012J003)

王 伟(1977-)，男，河南许昌人，副教授，博士，研究方向为航空发动机适航审定。