掺混孔对中心分级燃烧室出口特性分析的数值模拟

郑 顺， 王成军

(沈阳航空航天大学航空发动机学院， 沈阳 110136)

随着航空发动机的快速发展，高温升、高推重比及低污染排放必然成为燃烧室未来发展趋势，这对燃烧室的各种性能指标也提出了更高的要求。其中主燃烧室在工程的研发设计中，目标是在轴向最短的空间内，进行燃油的高效燃烧，提高燃气的温度，所以燃烧室的结构都处在极其恶劣的工作环境下。在火焰筒内，要进行燃油燃烧，还有极其复杂的物理化学反应。火焰筒壁面在生产加工时开有进气孔，按功用和方位分为主燃孔、补燃孔、掺混孔和冷却孔，其中掺混区内流经掺混孔的冷气与火焰筒内的高温气体进行混合来调节燃烧室出口温度[1]。影响燃烧室的出口温度的因素较多，比如主燃区的燃烧、掺混区掺混气与燃气混合等[2]。燃烧室内要稳定充分高效的燃烧，主要由掺混区来调节燃烧室的出口温度，是由控制掺混孔流进的掺混气混合来实现其功能，所以掺混孔的几何特性与气动特性对出口特性有着重要影响[3-5]。

中外学者对燃烧室出口特性开展了大量研究。邓远灏等[6]用数值模拟的方法对贫油预混预蒸发燃烧室(LPP)头部内不同旋流器安装角角度对燃烧室流场以及污染排放性能的影响。颜应文等[7]通过数值仿真与粒子图像测速仪(PIV)试验，研究了燃油直接喷射(TAPS)和双环预混旋流(MLDI)燃烧室头部结构对贫油预混预蒸发燃烧室流场影响。李杰[8]总结了油燃烧-猝熄-贫油燃烧室(RQL)的特点，并集合中外资料对RQL燃烧室减少氮氧化物(NOx)排放提出启迪与思考之处。岳巍等[9-10]利用ANSYS CFX软件进行数值模拟，探讨了波瓣混合器不同径向预旋角时混合气体掺混性。Bahamin等[11]根据不同的燃烧压力、当量比、燃料喷雾和旋流角组合研究了对非加压水冷燃烧室中NOx形成的影响。Povey等[12]研究了调整掺混孔几何特性优化喷嘴的设计。Stickles等[13]通过改变射流穿透深度，调整掺混后温度，进而达到调整出口温度场的目的，研究了热斑对涡轮叶片表面和端壁传热的影响。前人研究证明了头部结构参数及进口条件对燃烧室贫油熄火性能有重要作用。研究表明掺混孔参数对燃烧室出口特性有重要作用。

目前，采用掺混孔对燃烧室出口特性影响的研究较少，为此，以中心分级燃烧室为研究对象，采用数值模拟计算，讨论圆形、雨滴形、斜缝形的掺混孔，并分析各截面出口温度分布、速度场、NOx排放三个方面的参数，以期为更深入学习和研究中心分级燃烧室提供科学依据。

1 计算理论与模型

与传统的燃烧室相比，中心分级燃烧室具有高温升、高推重比及分级燃烧技术等特点，高温升、高推重比是指燃烧室的出口温度明显升高，出口的单位推力也极大的提高，分级燃烧技术是将燃烧室按照组织燃烧所需的燃油和空气多少分为不同的区域，保证其均匀混合充分燃烧，达到理想温度要求，减少NOx排放物。采用简化的中心分级燃烧室的模型进行模拟，得到不同掺混孔情况下各个截面温度分布、速度场以及NOx产物排放等关键的技术参数。

燃烧室的简化模型结构如图1所示，主要包括机匣、扩压器、火焰筒及旋流器等重要组成部件。模拟过程中空气流量分配为：10%空气流量用于火焰筒冷却，10%空气流量用于涡轮冷却，10%空气用于头部的冷却，其余空气为旋流器的流量。燃烧室模型的尾部形状为收口，这是为了避免气流回流状况的产生，模型忽略了火焰筒的筒壁气膜冷却孔和燃烧室主燃孔带来的影响。

图1 中心分级燃烧室模型Fig.1 Model of central stage combustor

中心分级旋流器的结构如图2所示，主要为主燃级叶片、值班级第一级叶片、值班级第二级叶片、喷嘴文式管和主燃级进油腔。

对于燃烧室模型，使用Gambit对其进行非结构分区网格划分，由于其部分结构进行了简化设计，如火焰筒及扩压器，所以相比较而言中心分级旋流器结构复杂。因此，为了减少模拟过程时间和避免整体构造网格困难，采用分区网格划分法和混合网格技术。如图3所示，将其整个燃烧室计算域划分成7个部分，区域1为进气道，区域2、3、5、6为燃烧室火焰筒结构部分，区域4为机匣，区域7为燃烧室出口。采用四面体网格进行划分结构复杂的壁面、旋流器部分及主要燃烧部分和重点分析燃烧的部分，采用六面体网格划分简单结构，其中对结构复杂的部分如有含有旋流器的区域3和冷却孔的区域5采用网格加密处理，图4为火焰筒模型的网格加密示意图。

图2 旋流器Fig.2 Swirler

1～7为区域编号图3 燃烧室计算域网格划分示意图Fig.3 Mesh schema of combustion chamber

图4 燃烧室火焰筒网格示意图Fig.4 Grid schema of combustor lines

初始条件设置：速度入口为掺混孔和主流喷口；进口辐射换热率为0.8，无滑移绝热的固体表面；假定自由射流出口边界及出口边界法向上的扩散流量为零。

2 数值模拟方法

2.1 数学模型

航空发动机燃烧室运行时会产生复杂的物化反应，其过程为非稳态、多相、三维、多组分、湍流燃烧、传热传质、对流换热、热辐射等反应的相互作用，虽然物化反应过程十分复杂，然而其均遵守质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程[14]。

2.2 计算模型

燃烧室中混合气体雷诺数较高，属于强湍流流动。考虑到k-ε模型雷诺应力的数学约束，所以选择适合其特性的Realizablek-ε湍流模型；采用Simple方法求解速度与压力的耦合，同时利用二阶精度离散格式，进行隐式分离求解；采用Lagrangian法追踪燃料液滴流动；湍流燃烧模型选用非预混燃烧模型概率密度函数(PDF)模型；辐射模型采用P1计算模型；研究中心分级高温升燃烧室，污染物NOx计算模型采用热力型类型计算；壁面采用标准壁面函数。

2.3 边界条件

边界条件为：燃烧室进口边界条件：空气和燃料的进口为质量流量进口，设置为3.75 kg/s，温度为850 K,水力直径为0.109 m，湍流强度为5%；喷嘴处温度为300 K，直径为0.002 m；燃烧室出口边界条件为压力出口，水利直径为0.09 m，湍流强度为5%；燃烧室壁面：侧面为周期性对称绝热边界，其他壁面选择无滑移绝热壁面。如图5所示。

图5 燃烧室边界条件示意图Fig.5 Boundary conditions schema of combustor

2.4 掺混孔几何形状方案设计

设计3种几何形状的掺混孔研究方案，其中设计孔的几何面积相同，并且其中心距离旋流器19.5 mm，也就除是几何形状外的其他条件相同，设计为圆形、雨滴形、斜缝形掺混孔，几何数据如图6所示。图6中，φ为圆直径，R为圆半径。

单位：mm图6 掺混孔几何形状设计图Fig.6 Geometry design of dilution holes

3 结果与分析

3.1 出口截面温度分布

分析图7所示的出口截面温度分布可知，3种方案存在较大的差异，圆形和雨滴形方案温度较低，并且温度分布比较均匀呈年轮状分布，然而斜缝形的出口截面温度要比圆形和雨滴形方案高温多，并且温度分布不均匀有两个中心高温区，温度分布较差。

燃烧室出口径向温度分布系数(RTDF)与燃烧室出口截面周向温度分布系数(OTDF)是评价出口温度场品质的重要数据标准，这两个参数指标都是衡量导向叶片的寿命，其表达式为

(1)

(2)

图7 出口截面温度分布Fig.7 Temperature distribution of the exit

如图8所示，从纵坐标建模时X方向看，3条曲线都呈现中间高两边低的形状，并且都是在中心零点处出现峰值，其RTDF从高到低的次序为斜缝形、圆形、雨滴形，最合理径向温度分布系数的取值上限通常认为为0.1，显然3种形状方案的掺混孔的RTDF在中心零点处都超越了这个数值，就这3种方案比较，雨滴形掺混孔在RTDF方面性能最好，圆形次之，斜缝形表现最差。

由表1可知，3种方案形状的掺混孔下OTDF数值：斜缝形最大，圆形次之，雨滴形最低。正常情况下，OTDF取上限值为0.3，明显斜缝形的OTDF超过了合理极限值，所以经比较认为斜缝形掺混孔性能最差，雨滴形掺混孔较小认为最优，圆形相比次之。

图8 燃烧室出口径向温度分布系数Fig.8 Radial temperature distribution coefficient of the combustor exit

表1 燃烧室出口周向温度分布系数

3.2 速度场分析

为比较3种方案对燃烧室性能的影响，分别对其3种方案的中心轴线速度云图进行分析，以Y轴选取中心轴线进行数度分析，使用Tecplot进行处理，得到3种方案速度云图及线图。

图9为火焰筒中不同方案下中心截面燃气Y轴轴向速度曲线。从图9可以看出，在回流区处三种方案跨度相差不大，并且气体的速度都为负数值，变化趋势先呈缓幅度的增加后在减小。在回流区内的涡流叠加处3种方案负值速度为最大值，经过回流区后，曲线走势呈指数上升，其中雨滴形掺混孔上升速度最快，圆形掺混孔次之，斜缝形掺混孔最慢，在燃烧室出口位置，速度的增长率都呈下降趋势。

如图10所示，经比较可得3种方案的速度云图形状大致相似，在掺混区处，斜缝形掺混孔与圆形掺混孔的速度比雨滴形掺混孔大得多。在3种方案中的回流区处，斜缝形掺混孔的回流区面积最小。在燃烧室出口处，圆形掺混孔速度最大，雨滴形掺混孔速度最小，斜缝形掺混孔介于二者之间，并且圆形掺混孔速度分布均匀性最好。对于军用高温升发动机来说，为了在飞行过程中隐身，就必须降低NOx的排放，否则会增加被探测的风险。经过数值模拟可以得到3种不同形状掺混空的NOx排放分布状况。由图11可知，斜缝形掺混孔NOx的排放不均匀，并且明显高于圆形和雨滴形方案，然而圆形掺混孔与雨滴形掺混孔的NOx排放分布大概一致，所以可以得出，斜缝形掺混孔方案NOx排放方面比较差。

4 结论

基于中心分级燃烧室，在除掺混孔几何形状不同其他条件一定的情况下，设计3种几何形状的掺混孔方案，分别为圆形、雨滴形、斜缝形，研究掺混孔几何形状对燃烧室出口特性的影响，通过数值模拟计算得到以下结论。

图9 中心轴线截面轴向速度线图Fig.9 Axial velocity plot of central axis section

图10 中心轴线速度云图Fig.10 Axial velocity cloud diagram of central axis section

图11 出口截面NOx分布Fig.11 NOx distribution of the exit section

(1)从燃烧室出口截面温度分析来看，由于斜缝形掺混孔的OTDF和RTDF超过了其合理极限值，所以认为其性能较差，而圆形与雨滴形较好，其中雨滴形最好。

(2)从燃烧室中心轴线速度分布来看，圆形与斜缝形掺混孔的燃烧室出口速度要比雨滴形大得多，并且圆形掺混孔的速度分布要比斜缝形更均匀，故在气体速度方面，圆形掺混孔方案最优。

(3)从排放物NOx的分布情况来看，经比较斜缝形掺混孔燃烧室出口NOx排放量最高，性能较差，圆形与雨滴形掺混孔较少，性能较好。

(4)从出口温度场分布、速度场、排放方面比较，得到圆形掺混孔设计最好。