进口参数对带导流片的三维环形TVC性能的影响*

俞 骏,刘景源

(南昌航空大学飞行器工程学院,南昌 330063)

0 引言

为了进一步降低污染物排放、拓宽低贫油熄火边界、增强高空再点火能力,文献[1]提出了驻涡燃烧室(TVC),并得到了广泛研究[2-4]。

为增强TVC的性能,Agarwal等[5-6]把导流片引入壁面凹腔TVC,并进行了实验及数值模拟分析,结果表明引入的导流片能提高TVC的性能。王志凯等[7]则将导流片引入钝体结构TVC,并研究了导流片结构参数对TVC性能的影响。徐舟等[8-9]对带导流片壁面凹腔TVC进行了结构改进,并研究了结构参数及燃气进气参数的变化对改进的TVC性能的影响。文献[10-11]则对单、双旋流驻涡燃烧室流场结构进行了数值分析。

引入导流片的TVC在总压损失系数可接受的范围内,不但会形成理想的双涡对结构、增进主流与凹腔内流动相互作用,而且能够拓宽低贫油熄火边界、增强高空再点火能力。但是,所研究的带导流片的燃烧室均为方形截面[5-11],而实际的截面形状均为环形。另外,并未研究引入导流片后的环形燃烧室入口燃气参数变化对燃烧室性能的影响。文中研究进气参数变化对带导流片的三维环形中心钝体TVC性能的影响,为工程应用提供参考。

1 计算模型及计算条件

1.1 几何模型及结构参数

带导流片环形旋涡燃烧室由18个图1所示的模型绕轴线周期阵列而来,燃烧室总长400 mm,内径700 mm,外径900 mm,前、后钝体轴向长度分别为40 mm、20 mm,导流片厚度为1 mm。其他参数如表1所示。

图1 带导流片的三维环形TVC尺寸

参数取值c/H10.2e/B0.2b/L0.1S2/a0.8H2/H10.7B/mm20H1/mm60L/mm36α/(°)20

1.2 计算条件

数值模拟方法及算例验证详见文献[7]。燃烧室进口燃气速度、当量比及进气温度的取值如表2所示。

表2 进口燃气参数

2 计算结果与分析

2.1 进气速度对燃烧室性能的影响

2.1.1 凹腔速度及旋涡结构

数值模拟进气速度对燃烧室的影响时,固定进气当量比φ=0.6,进气温度T=300 K。截面0°(对应计算模型中间截面)时凹腔对应的速度及旋涡结构如图2所示。由图2可知,不同进气速度下凹腔旋涡结构基本保持不变,表明TVC的火焰稳定几乎不受来流速度的影响。同时不难看出随着进气速度的增加,外侧旋涡与主流之间的速度增加,有利于凹腔高温燃气与主流之间的热质交换。另外,图中导流片出口附近区域流动速度变高,其原因是导流片出口附近燃气燃烧释热导致流体温度升高,温度升高致使密度降低,根据质量守恒,则流速增加。

图2 不同进气速度时0°截面的凹腔速度及旋涡结构

2.1.2 总压损失系数

图3给出了总压损失系数σ(定义为进出口总压相减后除以进口总压)随不同进气速度变化曲线。由图3可见,进气速度对总压损失系数影响较大。这是因为进气速度越大,导流片及钝体对来流的阻碍作用越明显,型阻越大;同时混合气体间因运动而产生的损失也越大,再加上流体与燃烧室各壁面间的摩擦阻力,使得总压损失系数随进气速度增加而增加。

图3 不同进气速度时的总压损失系数

2.1.3 出口截面NO分布及燃烧效率

图4为各进气速度下燃烧室的出口NO质量分数分布。由图4可知,随着进气速度增大,混合气体的流速变大,这使得气体在燃烧室驻留的时间减小,在燃烧室温度分布大致相同的情况下,NO排放含量降低。这一点也可以从表3的出口NO质量分数的数值看出。

图4 不同进气速度时出口截面NO质量分数

进气速度/(m/s)NO质量分数206.60×10-7403.75×10-7602.69×10-7802.11×10-71001.87×10-7

图5为不同进气速度对燃烧效率η影响曲线。由图5可见,虽然η随V的增大而减小,进气速度对燃烧效率(总体都在97.7%以上)影响较小。参考图2,虽然进气速度增加有助于未燃气体与高温热质间的掺混,但驻留时间的减短使得燃烧效率总体呈小幅下降趋势。

图5 不同进气速度时的燃烧效率

2.2 燃气当量比对燃烧室性能的影响

2.2.1 凹腔速度及旋涡结构

图6为进气当量比对凹腔旋涡结构的影响。由图6可知,随着进气当量比的增加,凹腔外侧涡对逐渐变大,内侧涡对逐渐变小。这是由于当量比增加会使进入凹腔的气流在经燃烧后所释放的能量增加,能量增加所导致的流体温度增加使气体体积膨胀、密度减小。根据质量守恒,为流过相同质量流量的流体,则流动通道必然加大,因此促使凹腔流体向两侧扩张,挤压了内侧涡对,使其变小。虽然凹腔旋涡大小发生变化,但旋涡涡核的位置变化不大。

图6 不同当量比φ时0°截面的凹腔速度及旋涡结构

2.2.2 总压损失系数

图7为不同当量比下燃烧室总压损失系数变化曲线。由图7可知,随着进气当量比的增大,总压损失系数逐渐变大。当量比增大使得燃烧室温度上升,而气体粘性随温度升高是逐渐变大的,这会使得燃烧室摩擦损失增大,另外,燃烧室燃烧放热产生热阻损失,因此,总压损失系数变大。

图7 不同当量比φ时的总压损失系数

2.2.3 出口截面NO分布及燃烧效率

不同进气当量比对燃烧室出口NO分布如图8所示。由图8可见,不同当量比对NO生成的影响较大:当量比为0.2时,燃烧室几乎不产生NO;之后随当量比的增大,NO急剧变大。由NO生成机理可知,在燃料为CH4的情况下,热力型NO是燃烧室主要生成途径[12],而热力型NO生成含量随温度升高而快速增大,因此出口NO分布变化较大。

图8 不同当量比φ时出口截面NO质量分数分布

当量比ϕNO质量分数0.24.09×10-180.42.17×10-120.62.69×10-70.81.33×10-41.01.07×10-3

图9为不同当量比下燃烧室燃烧效率变化曲线。由图9可知,随着进气当量比的增大,燃烧效率逐渐变低。燃烧室燃烧效率由于进气的燃料变多,燃烧从外部向内部传播所需的时间的变长,促使相同进气速度、温度及燃烧室长度下,燃烧效率降低。

图9 不同当量比φ时燃烧效率

2.3 进气温度对燃烧室性能的影响

2.3.1 凹腔速度及旋涡结构

图10为进气温度对凹腔旋涡结构变化的影响。由图10可见,导流片出口附近速度增加。由于燃烧释热导致气体体积膨胀、密度减小,根据质量守恒条件,流动速度增大。入口温度升高时,导流片附近及燃烧室中间通道高速度区变小是因为燃烧室入口温度低时的温升高,导致气体的体积膨胀更大密度更小,因此入口温度低时流速比入口温度高时的大。

另外,凹腔内低流速区及内侧涡对随进气温度的增大而增大,表明进气温度增加有助于点火稳定。随着入口温度增加,温升减小,气体体积膨胀率减小,则凹腔中心高速流动区域减小,对内侧涡对的挤压作用减小,旋涡变大。

图10 不同进气温度时0°截面凹腔速度及旋涡结构

2.3.2 总压损失系数

进气温度对燃烧室总压损失系数的影响如图11所示。由图11可见,燃烧室总压损失系数随着入口温度增加逐渐变小。从图13可见,不同入口温度下,燃烧效率均在98%以上,并且入口温度增加燃烧效率仅仅缓慢增加,而且增幅很小,因此随着入口温度的增加,燃烧室温升减小。由于燃烧室温升随着入口温度增加而减小、热阻变小,燃烧室总压损失系数逐渐变小。

图11 不同进气温度时总压损失系数

2.3.3 出口截面NO质量分数分布及燃烧效率

进气温度对出口NO分布的影响如图12所示。由图12可知,随着进气温度的升高,燃烧室燃料燃烧越充分,燃烧室内温度变大,热力型NO含量上升,因此出口NO分布急剧变大。这一点可以从表5的出口NO质量分数看出。

图12 不同进气温度时出口截面NO质量分数分布

进气速度/(m/s)NO质量分数3002.69×10-75009.77×10-67002.25×10-49001.87×10-3

进气温度对燃烧室燃烧效率的影响如图13所示。由于燃料与空气的化学反应速率随温度增加而增加,同时已燃气体与未燃气体间掺混的加剧,导致了燃烧室整体燃烧效率曲线随温度逐渐上升。由于燃烧效率的增大,致使未燃气体占有的比例减小,因此燃烧效率随着进口温度的增加增幅变缓。

图13 不同进气温度时燃烧效率

3 结论

文中对带导流片的三维环形TVC在不同进气速度、燃气当量比、进气温度下的燃烧室进行了数值模拟,并分析了燃烧室的流动及燃烧的性能,主要结论如下:

1)不同进气速度下燃烧室凹腔旋涡、燃烧效率及出口NO分布基本不变,但总压损失系数随进口速度增加快速增大。

2)进气当量比增大导致凹腔内侧涡对变小,燃烧效率降低,总压损失系数增大,但幅度都不大,且涡核位置基本不变。

3)进气温度升高有利于燃烧室凹腔驻涡、降低总压损失系数、增加燃烧效率。

4)进气当量比及进气温度的升高使得燃烧室温度变高,出口NO排放量增加。

综上,从增加燃烧室性能的角度,权衡多个性能参数,当进气速度为20 m/s、当量比为0.2、进气温度为500 K时,燃烧室性能最佳。