自耦合离心力场下燃烧特性数值模拟研究

朱桦

摘 要：在駐涡燃烧室中，旋流产生的离心效应可以有效提高燃烧速率，有助于实现高效紧凑燃烧。文章利用Fluent软件计算获得了凹腔区进气角度和速度对凹腔区离心力场的影响规律，结果表明凹腔区进气速度和进气角度是影响离心力场的主要因素：对于不同的凹腔区进气角度（0～60°），离心加速度随着凹腔区进去角度的增大而增大。随着进气速度的增加（500G到20000G），火焰传播速度随之增加，火焰均匀性也得到提高。

关键词：驻涡燃烧室；离心力场；燃烧特性；数值模拟

中图分类号：TK44 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0021-02

在动力装置燃烧领域中，自耦合离心力作用下的燃烧极为常见，对燃烧性能的影响也更为突出和关键。目前大部分动力装置的燃烧都依靠回流流场或旋流流场来实现。在离心力强度较大时，回流流场中离心力所带来的影响不能忽略，如在环境压力和环境温度（27℃）下，当燃气温度为1927℃时，1立方英尺的热燃气受到的浮升力为0.2835N，而在3000g（3000个重力加速度）离心力场中，浮升力增加到860N，增加了3000多倍，是该团燃气所受到重力的17000倍[1、2]。随着状态的变化，各动力装置燃烧室中离心力的强度也随之变化，从几个重力加速度变化至2-3万重力加速度。如航空发动机主燃烧室的回流区一般经由涡流器形成，涡流器的典型直径在30～70mm左右，气流经过涡流器后会形成两个旋流流场，一个是经由流线形成的周向旋转流场，典型的切向线性速度约为20～50m/s左右，另一个是由压力梯度形成的轴向回流区，典型切向线性速度约为10～30m/s左右。按照上述典型的直径和速度数值计算，两个回流流场离心加速度分别在1000g～15000g和500g～12000g之间。

本文主要利用流体计算软件Fluent开展自耦合离心力场下燃烧性能数值模拟研究，分别数值模拟在不同凹腔进气速度（0G～20000G）和凹腔进气角度（0～60°）情况下的离心力场和燃烧特性。

1 三维模型

如图1所示，模型主要包括驻涡火焰筒筒体、中心钝体和两排均匀分布在凹腔外壁上的进气孔（共24个），凹腔进气孔与模型凹腔壁成β角度。气流从主流区和凹腔进气孔以不同的速度进入燃烧室，都采用预混合气，同时主流区的进气角度保和速度持不变，通过改变凹腔进气口的进气速度和进气角度来研究离心力场的变化和燃烧特性。

2 网格划分

本文中利用Gambit软件对所建立的三维几何结构进行网格划分，结构不规则区选取适应性强的非结构化网格，结构规则区选取结构化网格。在燃烧室整个流通区域内进行网格划分，对主燃区进行网格加密，而其他区域则选用相对较大的网格，这样既可以很好地划分网格，又可以适当地控制网格的数目，有利于流场的计算。

3 边界条件

（1）进口边界条件：以保证进口Ma数等于定值为原则，根据当地声速，计算出进口速度。

（2）出口边界条件：以保证主出口总压为进口理论计算总压的95%为原则，保持主出口压力不变，使出口的流量达到确定的规定值。

（3）固体壁面条件：固体壁面绝热，即不考虑壁面导热。

（4）周期性条件：对所截取的燃烧室扇形段的两侧截面设置为周期性边界条件，对于周期性条件有：

4 计算工况

本文主要模拟发动机分别在进气燃气比、驻涡区进气角度和速度以及主流进气速度变化的情况自耦合离心力场下燃烧性能。基本参数如表1所示：

5 计算结果分析

对稳态状态下不同凹腔进气速度和凹腔进气角度的燃烧状态进行数值模拟，在研究中，凹腔区进气有一定的角度，会产生一个切向的分速度，设为u。这个u会产生一个离心加速度G。改变凹腔进气速度，即G由0G变化到20000G。

5.1 稳态下不同凹腔进气角度下离心力场的大小比较

在相同的凹腔区进气速度和主流进气条件下，凹腔区进气角度从0°增大到60°，凹腔区进气速度的切向分量u增大，由离心加速度的定义可知增大。同时从图2中可以看出，随凹腔进气角度的增大，整个流场某处达到的最大离心力随之增大，并且可以看出最大离心力的范围随角度的增大而增大。

5.2 稳态下不同离心力下火焰传播温度图

图3为稳态下条件下的火焰传播温度图温度分布图。在主流区流体速度相同的情况下，由图3可以分析出，火焰通过钝体达到火焰稳定的时，其流过的距离是随着凹腔进口速度的增大（即500G、5000G、120000G、15000G和200

00G）而变短的。因此可以定性的得出，随着凹腔进气速度的增大，火焰的传播速度是随之增大的。而且，火焰稳定的区域也随之增加，说明火焰的均匀性更好。

6 结束语

总结图分析得，随着加速度的增加，火焰传播的速度越来越快。当加速度比较小的时候，最后形成的是一个圆锥形的火焰面，火焰面较大。当加速度比较大的时候，最后形成的是一个火焰面比较小的环形火焰封面。而且可以看出，加速度越快，其环形火焰面的面积越小。

参考文献：

[1]Lewis， G.D.， “Centrifugal-Force Effects on Combustion，” proc. 14th. Symposium.（International） on Combustion， The Combustion Institute，1973：413-419.

[2]Lewis， George D，“Swirling Flow Combustion - Fundamenta

ls and Application，”9th AIAA/SAE Propulsion Conference， AIAA 73-1250. Las Vegas， NV：1973.