主燃孔射流对燃烧室燃烧性能影响的数值研究

林宏军(中国航发沈阳发动机研究所 预先研究总体设计部，沈阳 110015)

航空发动机主燃烧室中的大孔(主燃孔或掺混孔)射流空气对于燃烧室内形成低速燃烧区域，增强油气掺混、控制燃烧强度，获得良好燃烧性能具有重要的作用[1-2]。以往由于掺混孔射流对主燃烧室出口温度场具有调节作用，掺混孔对燃烧室影响规律研究已成为主燃烧室工程设计上所关注的重点问题[3-6]，而主燃孔射流对燃烧区流场特性和燃烧特性影响的相关研究却相对较少。随着先进低污染RQL(富油燃烧-猝熄-贫油燃烧)主燃烧室研发[7-8]，主燃孔射流对燃烧室流场和燃烧特性(尤其是污染排放)的影响再次引起了工程技术人员的关注[9-10]。

常规燃烧室的主燃区作为油气掺混和燃油燃烧的主要区域，其流场的特征和燃烧特性将直接影响主燃烧室的综合性能。Lefebvre[11]认为，作为一般准则，主燃孔射流从少数几个大孔射入将可以获得最好的燃烧稳定性，而对于环形燃烧室，虽未明确制定火焰筒射流孔最佳数量的选取准则，但是每个燃油喷嘴对应一对相对的孔被认为是最低的设计要求，而采用两倍数量的大孔将更为合适；Dodds和Bahr[12]则强调，旋流器出口气流、主燃孔射流和冷却气流的相互作用是影响燃烧的重要因素，主燃区作为燃烧室内污染物排放的主要来源，研究射流对主燃区的影响，对主燃烧室排放的评定具有重要意义;Noyce 等人[13]则指出，主燃孔射流的射入方式对燃烧室出口的污染物排放水平产生主要的影响；金如山等人[14]则指出影响RQL燃烧室排放的关键在于射流空气的动量密流比J，而射流区的进口环高和射流空气的动量密流比J可以通过CFD进行初步设计。由此可见，采用数值模拟技术开展主燃孔射流对主燃区燃烧流场影响的研究对于评估主燃烧室燃烧性能和排放水平，指导航空发动机主燃烧室的设计具有重要意义。

1 计算模型和研究参数

1.1 简化的燃烧室计算模型

为了更好地研究主燃孔射流对主燃区燃烧流场和燃烧性能的影响，避免主燃烧室火焰筒中其它结构参数对研究结果产生的影响，在研究中采用简化的模型燃烧室(如图1所示)，模型燃烧室主要由双级旋流器和带有大孔(模拟火焰筒主燃孔)的火焰筒构成，且燃烧室的头部和火焰筒壁均未布置冷却孔。

模型燃烧室的横截面为边长a=77 mm的正方形，燃烧室的总长度为300 mm。头部所采用的双级旋流器能够产生同轴、反旋的空气旋流，燃烧室采用离心喷嘴进行供油。研究中将旋流器出口平面作为研究的基准平面(0平面)，沿火焰筒的轴线取4个射流平面(S1～S4平面)，相邻两个平面间距为25 mm；每个射流平面上设计有两个正对的射流孔，射流孔为直径φ13 mm的平孔。

图1 燃烧室简化模型和关键截面示意图

1.2 研究方案

研究中主要考虑射流平面到旋流空气出口(0平面)的相对位置、主燃孔的进气结构对燃烧室主燃区中的回流区流场形状和燃烧特性的影响规律。模型燃烧室的进口状态参数、射流空气与主流的流量比及具体的研究方案如表1所示。

表1 计算状态和燃烧室模型方案

(1)在射流位置的研究方面，选择距离旋流器出口(基准平面)1S～4S的4个射流位置方案，主燃孔采用无进气斗的平孔，将4个方案计算所获得的射流燃烧结果与无射流的燃烧室流场和燃烧特性进行对比分析。

(2)在主燃孔的进气结构研究方面，主燃孔采用了如图2所示的带有进气斗的结构，即主燃孔上将有部分进气结构伸入火焰筒内，其中进气斗a的前端伸入火焰筒，在射流空气前形成保护，增加射流深度的同时，将射流向主燃孔的下游进行引流。而进气斗b的后端伸入火焰筒内，在射流空气后形成阻碍，增加射流深度的同时，将射流向主燃孔的上游引流，射流空气将与来流空气产生对冲效应。在研究中将对a，b两种带有进气斗结构的主燃孔射流对主燃区流场和燃烧特性的影响与相同位置平孔射流的计算结果进行对比分析。

图2 带有进气斗的主燃孔结构图

2 计算方法

研究中首先针对基准方案A的模型燃烧室主燃区的速度场(主要是回流区)进行了计算，并利用试验数据对采用不同湍流模型的数值模拟方法进行了评估。PIV测试获得的模型燃烧室局部区域(旋流器出口平面Z方向75*115 mm区域)的轴向速度场与采用不同湍流模型计算获得的流场开展了对比(如图3、4所示)。通过对比可知：(1)研究所选用的湍流模型可以基本适用于燃烧室流场的计算；(2)采用标准κ-ε模型所计算的模型燃烧室的回流区和流场特性更接近试验的结果[15-16]。因此在后续数值模拟中采用基于压力的隐式求解器和标准k-ε紊流模型对N-S方程进行求解，从而获得燃烧室的流场形态。

图3 标准κ-ε模型计算流场与PIV获得轴向速度场(Z方向)对比

图4 Realizable κ-ε模型计算流场与PIV获得轴向速度场(Z方向)对比

在航空发动机主燃烧室的计算中，PDF作为一种喷即燃的燃烧模拟方法，能够清晰地展现火焰交界的位置和温度场的结构[17],所以在计算中采用非预混燃烧和非预混化学平衡反应PDF模型对燃烧场进行求解。同时在计算中选取燃烧室入口和射流入口为质量流量入口，燃烧室出口设为设置压力出口。计算中将空气作为不可压理想流体处理,选用Jet-A型喷气燃料(ASTM-1655)，该燃料与RP-3燃料(GB6537-94)的性质相当接近,而近壁处理则采用标准的壁面函数，采用P-1辐射模型[18-19]。

3 计算结果分析

3.1 射流位置对燃烧流场性能的影响

方案A～E主要针对模型燃烧室轴线上不同位置的主燃孔射流对其燃烧场的影响开展了对比研究。计算获得了如图5所示的模型燃烧室轴向速度场云图，其中黄色区域为回流区(轴向速度≤0 m/s)。对比5个方案的中截面轴向速度场云图，可以看出主燃孔射流对于截断主流，促进回流区的形成具有一定的作用。

当射流位置距旋流器套筒出口平面的距离增大，回流区的长度和低速区的面积呈现先减小后增大的趋势。分析认为当射流位置距套筒出口平面较近时，射流空气对主流产生截断作用，回流区长度有所减短，但射流对原旋流空气的回流区进行了挤压，致使回流区截面的宽度变小，回流区长度相对增大，致使B方案的回流区较C、D、E方案增长。而对于现有的旋流器结构，在1S截面设置主燃孔射流(B方案)，虽然可以一定程度上减小回流区的长度但效果并不明显。当主燃孔射流位置距套筒出口平面的距离进一步增大(D、E方案)，射流对主流的截断效果逐渐减弱，回流区长度增长，截面宽度变大，这意味着主流空气的驻留时间将有所增加，将有助于燃料与空气的混合和燃烧，从而提高燃烧的效果。结合B～E方案回流区域的温度场分布情况(见图6所示)也可以看出主燃孔射流对主流的截断作用，以及引起的头部燃烧的增强，但随射流位置距套筒出口平面距离的增大，高温燃烧区域逐渐的增大，大量的燃烧出现模型燃烧室的中后部，燃烧室内部所对应的平均燃烧温度则相对有所降低。

图5 A～E方案中截面轴向速度和回流区对比

图6 计算获得的A～E方案的中截面温度分布

研究中选取距离旋流器套筒出口平面200 mm的截面作为燃烧性能研究的关键截面(注:截面到旋流器套筒出口的距离与火焰筒头部高度比与常规燃烧室设计所对应的数值基本一致)，计算获得相应截面的温度分布系数OTDF和NOx排放的数值如图7所示。

图7 A～E方案轴线200 mm平面上的OTDF和NOx排放

结合图5 分析认为随着射流的加入，主燃孔射流对主燃区的燃烧流场产生了影响，射流与回流区产生相互作用，燃料与空气的混合和燃烧增强,燃烧效果提升，燃烧温度分布趋于均匀,射流位置为1S、2S 时，模型燃烧室获得了较好的燃烧出口温度分布。随着射流位置远离主燃区，射流空气的作用减弱，出口温度分布变差，尤其是4S时射流位置距关键截面距离过近，在射流空气对主燃区影响减弱的同时，对关键截面产生的影响更为直接，OTDF参数急剧变差。同时结合燃烧温度分布云图(图6)对比分析关键截面的NOx排放数值，可以看出射流对主流的截断作用导致燃烧室头部出现局部高温区，使其NOx排放有所增加，但随着射流位置距离套筒出口平面距离的增大，其高温燃烧区域增大，平均燃烧温度相对降低，因此NOx的排放水平随着燃烧室平均燃烧温度的降低而相应的降低。

3.2 进气结构对燃烧流场性能的影响

在相同的射流位置和射流强度下,针对不同的射流孔进气孔结构(方案I/J)对模型燃烧室的燃烧性能影响进行了计算和分析,图8、9为计算获得的燃烧室中截面速度场和温度场分布云图。

从速度场的分布可以看出采用伸入燃烧室的导流结构,其射流的穿透深度较无导流结构(方案C)将有所增加，但主燃孔进气结构对射流的导流方向不同，流场的形态也略有不同：当向后导流时(I方案)，回流区的后端受到射流挤压,回流区长度较平孔结构有所减短，回流区较为饱满；而向前导流时(J方案)，回流区的中部受到射流挤压,且挤压强度较平孔方案增强,回流区被挤压加长。分析认为，射流孔为进气斗结构时，有助于增加射流的深度和强度，进而增大其对燃烧室流场的影响。当进气斗向后导流时，射流主要作用于空气旋流回流区的下游流场，射流强度受到前端导流部的限制，对空气旋流回流区的影响相对较弱；而进气斗向前导流时，射流主要作用于空气旋流回流区上中游流场，后端导流部分的深入长度较大，则其射流强度增大，射流对燃烧室流场的影响则相对增强。参考图9所示的温度分布可以看出采用不同导流结构时,随着射流强度的增大,燃烧室头部将出现较为集中的高温燃烧区,射流区域则出现局部低温燃烧区。当主燃孔进气结构为向前导流与向后导流及无导流结构相比,燃烧室头部的高温燃烧区则更加的集中,而射流区域的低温燃烧区则变得更加明显。

图8 C/I/J方案中截面轴向速度和回流区对比

图10是不同导流结构下的燃烧室性能的对比情况,从中可以看出随着导流结构下射流强度的增强,射流对燃烧室的燃烧性能影响逐渐增强,尤其是回流区的长度变化将直接导致燃烧室截面的温度分布明显的变差。同时参考图9可知，随着射流强度的增大,头部回流区内燃烧范围变小，燃烧强度加强,出现高温燃烧区域，导致燃烧室的NOx排放亦相应的提高。

图9 计算获得C/I/J方案的中截面温度分布

图10 C/I/J方案在轴线200 mm平面的OTDF和NOx排放的计算数值对比

4 结论

基于简化的燃烧室模型,针对主燃孔射流对燃烧室主燃区流场、温度场和综合燃烧性能的影响进行了研究，通过多方案的数值模拟和对比分析,主要获得如下结论：

(1)主燃孔射流将有助于缩短主燃区空气回流区的长度，同时将对燃烧室的出口温度分布和NOx排放产生直接的影响。射流空气对于调节燃烧室的出口温度分布,提升燃烧性能具有一定的益处,但高强度的射流引入也会导致局部区域产生高温燃烧区,致使NOx排放提高；

(2)当射流空气作用于旋流回流区的前中部时，将破坏流场回流区的形态,引起燃烧性能变差,因此在燃烧室设计中应充分参考头部旋流回流区的结构和位置,选取合适的射流位置,以便获得较好的燃烧性能；

(3)采用伸入流场内具有导流功能的进气结构,将增强主燃孔射流对燃烧室流场的影响，不同的导流结构将决定燃烧室流场和回流区的形态,从而影响燃烧室的燃烧特性,总体看导流结构引起射流强度的过度增大,将引起燃烧室的燃烧特性变差,因此在设计中采用射流导流结构应充分考虑其对空气回流区的影响。

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