常國(guó)強(qiáng)，錢 鑫，葛源海，陸 川，徐 夏

（南京模擬技術(shù)研究所，南京210018）

0 引言

在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室壁面溫度的不斷升高導(dǎo)致燃燒室性能降低以及壁面燒蝕等現(xiàn)象。針對(duì)燃燒室壁面的冷卻方式主要是燃燒室氣膜冷卻。氣膜冷卻技術(shù)在不斷的改進(jìn)，由最初的圓柱形孔向非圓柱形孔演變[1]。Sen等[2]和Schmidt等[3]的研究表明復(fù)合傾斜的前傾擴(kuò)張孔有利于冷卻效率提高。文獻(xiàn)[4-5]分別研究了扇形孔在端壁和導(dǎo)向葉片上較好的冷卻效果。文獻(xiàn)[6]則通過(guò)試驗(yàn)研究了扇形孔幾何參數(shù)對(duì)冷卻效率和流量系數(shù)的影響。Haven等[7]的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明擴(kuò)張形孔結(jié)構(gòu)減弱了射流在主流中的穿透，有效減弱了射流貼近壁面附近的對(duì)渦強(qiáng)度。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)燃燒室氣膜冷卻技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，郝旭生[8]及李季等[9]基于某型燃燒室對(duì)多種冷卻方案進(jìn)行了對(duì)比分析。張榮春[10]設(shè)計(jì)了2種駐渦燃燒室的發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu),具有較高的絕熱冷卻效率。朱長(zhǎng)青、董志銳等[11]用數(shù)值方法計(jì)算采用波紋環(huán)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的燃燒室的壁溫分布和熱流分布。孫學(xué)衛(wèi)等[12]表明通過(guò)改變冷卻氣體的流量和燃燒室進(jìn)氣方向，能有效降低發(fā)生燒蝕的可能性。任加萬(wàn)等[13]提出，通過(guò)改善結(jié)構(gòu)布局，合理分配縫隙冷氣流量，可以有效地提高燃燒室縫槽氣膜冷卻效果。張勃等[14]將多斜孔壁與平圓孔燃燒室的壁面換熱特性數(shù)值研究結(jié)果對(duì)比表明，采用多斜孔壁結(jié)構(gòu)，壁面冷卻效果得到強(qiáng)化，平圓孔氣膜冷卻效率較差。方韌[15]、張婧宜等[16]研究表明，設(shè)置傾斜擋板能有效彌補(bǔ)氣膜孔孔前壁面冷卻不足的問(wèn)題。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面鱗片型氣膜孔結(jié)合了扇形氣膜孔及傾斜擋板的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)了燃燒室壁面的氣膜冷卻效果。本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)鱗片型氣膜孔的氣膜冷卻特性及流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行初步分析。并且將其應(yīng)用在燃燒室上進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示鱗片型氣膜孔對(duì)燃燒室的應(yīng)用價(jià)值。

1 物理模型及計(jì)算方法

1.1 物理模型

平板模型（如圖1所示）有利于對(duì)氣膜流動(dòng)結(jié)構(gòu)及溫度場(chǎng)的分析。該模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化來(lái)自某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)，設(shè)定主流域和冷氣域。鱗片孔結(jié)構(gòu)及平圓孔結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于鱗片孔、鱗片板于孔內(nèi)連接，因此鱗片孔為帶鱗片擋板的扇形孔，h為鱗片孔深度。

將2種孔型應(yīng)用到某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上，由于燃燒室在周向具有周期性，為了節(jié)省計(jì)算資源，燃燒室模型采用1/8扇形段。帶有鱗片孔模型的燃燒室如圖3所示，從圖中可見(jiàn)，燃燒室內(nèi)外環(huán)及前部壁面都均布多排鱗片孔；內(nèi)外環(huán)只有2排平圓孔，第1排為主燃孔，第2排為摻混孔?；谕瑯拥娜紵医Y(jié)構(gòu)，使用平圓孔（如圖4所示）代替鱗片孔，保證相同進(jìn)氣面積和流量的燃燒室模型，簡(jiǎn)稱平圓孔燃燒室。

1.2 網(wǎng)格劃分及湍流模型

平板模型：將X方向上截面設(shè)置成平移周期面。流體域全局網(wǎng)格如圖5所示。

燃燒室模型：取全環(huán)燃燒室的1/8作為燃燒室模型，將環(huán)向設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期面。流體域全局網(wǎng)格如圖6所示。

2種數(shù)值模擬方法均采用Realizable k-e湍流模型和增強(qiáng)壁面函數(shù)處理，模型采用3維非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，在燃燒室內(nèi)壁面對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，為使內(nèi)壁面y+在1左右，近壁面區(qū)域設(shè)置20層邊界層網(wǎng)格。分別對(duì)平板模型及燃燒室模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果誤差在0.5%以內(nèi)。最終平板模型采用50 W網(wǎng)格，燃燒室模型采用120 W網(wǎng)格。采用Ansys Fluent 15.0求解器，求解方法為壓力校正算法SIMPLE方法。各參數(shù)的離散格式均采用2階迎風(fēng)格式。收斂標(biāo)準(zhǔn)為相對(duì)殘差小于1E-6。

1.3 邊界條件

邊界條件以真實(shí)燃燒室工作環(huán)境為基準(zhǔn)，在分割面給定周期性邊界條件，其他壁面給定無(wú)滑移壁面邊界條件。主流和冷氣進(jìn)口為流量進(jìn)口，設(shè)定流量以保證平板模型氣膜孔吹風(fēng)比、主流流速與燃燒室一致，M=0.5時(shí)，其出口為壓力出口，出口壓力與燃燒室出口壓力一致。平板模型溫度邊界條件也與燃燒室熱態(tài)場(chǎng)壁面附近溫度場(chǎng)保持一致。具體邊界條件設(shè)置分別見(jiàn)表 1、2。

表1 平板模型邊界條件

表2 燃燒室模型邊界條件

1.4 參數(shù)定義

冷卻效率是表征氣膜孔冷卻特性的重要參數(shù)，定義為

式中：Tg、Tc、Taw分別為主流溫度、二次流溫度、絕熱壁溫。在氣膜冷卻條件下，絕熱壁溫Taw在數(shù)值上等于壁面絕熱時(shí)主流、二次流按某種比例混合的混氣在壁面處的恢復(fù)溫度，即當(dāng)壁面除了氣膜冷卻沒(méi)有任何其他冷卻措施時(shí)，壁面所能達(dá)到的實(shí)際溫度。

燃燒效率是表征燃燒室性能的重要參數(shù)，定義為

式中：Tt1為出口平均總溫；Tt2為進(jìn)口平均總溫；Tcr為理論溫升。

總壓恢復(fù)系數(shù)為式中：Pt2為出口平均總壓；Pt1為進(jìn)口平均總壓。

2 結(jié)果分析

2.1 2種氣膜冷卻孔流動(dòng)與冷卻機(jī)理分析

采用平板模型對(duì)2種孔型氣膜冷卻流動(dòng)與冷卻機(jī)理進(jìn)行分析，鱗片型氣膜孔簡(jiǎn)稱鱗片孔。鱗片孔和平圓孔主流截面的靜溫對(duì)比云圖如圖7所示，從圖中可見(jiàn)，鱗片孔在主流通道內(nèi)的氣膜厚度較大，沿著流通通道往下游區(qū)域，氣膜長(zhǎng)度也優(yōu)于平圓孔。由于鱗片孔出口的鱗片結(jié)構(gòu)將氣膜孔射流很好地保護(hù)在了壁面附近，降低了氣膜孔射流的法向動(dòng)量，使得氣膜受主流的摻混影響較弱。

壁面氣膜冷卻效率是表征氣膜冷卻孔對(duì)主流壁面氣膜冷卻效果的重要參數(shù)。2種氣膜孔主流壁面的氣膜冷卻效率對(duì)比如圖8所示，從圖中可見(jiàn)，對(duì)于平圓孔，氣膜覆蓋效果較好的區(qū)域在X/D=0～5，氣膜展向覆蓋也是在Y/D=-0.6～0.6區(qū)域內(nèi)，氣膜冷卻效率較低；而鱗片孔的氣膜在X/D=0～10，Y/D=-1～1區(qū)域內(nèi)氣膜覆蓋區(qū)域大，氣膜冷卻效率較高。相比于平圓孔，鱗片孔氣膜有較好的展向覆蓋效果及較好的氣膜覆蓋長(zhǎng)度，表現(xiàn)出了較高的壁面氣膜冷卻效率。

主流壁面附近的外卷對(duì)渦、壁面的氣膜摻混強(qiáng)度及流動(dòng)對(duì)氣膜黏附性，狀態(tài)都有較大的影響，外卷對(duì)渦是氣膜孔射流與主流在氣膜孔出口相互摻混形成的對(duì)稱向外的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，外卷對(duì)渦將氣膜抬升，加強(qiáng)主流與氣膜孔射流的摻混作用，降低氣膜孔射流對(duì)壁面的覆蓋效果，降低了壁面氣膜冷卻效率。

平圓孔主流截面溫度云圖及流線圖如圖9所示，從圖中可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)主流截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，闡述平圓孔冷卻效率較低的原因。對(duì)于吹風(fēng)比為M=0.5情況下的平圓孔而言，氣膜孔射流法向動(dòng)量較低，在氣膜孔下游X/D=0.5及X/D=0.8位置外卷對(duì)渦貼近壁面；在X/D=1.6位置，由于主流和氣膜孔射流的摻混逐漸增強(qiáng)，外卷對(duì)渦開(kāi)始增強(qiáng)，導(dǎo)致氣膜開(kāi)始變窄并且脫離壁面，不利于氣膜覆蓋。

鱗片孔主流截面溫度云圖及流線圖如圖10所示，從圖中可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)主流截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，闡述了鱗片孔氣膜冷卻效率較高的原因。對(duì)于鱗片孔而言，氣膜孔射流在氣膜孔出口X/D=0.5、X/D=0.8及X/D=1.6位置氣膜孔射流展向?qū)挾容^大，未出現(xiàn)外卷對(duì)渦，氣膜孔射流貼近壁面。由于鱗片孔鱗片結(jié)構(gòu)限定了氣膜孔射流的流動(dòng)方向，降低了氣膜孔射流的法向動(dòng)量，同時(shí)減弱了主流對(duì)氣膜孔射流的外卷作用，降低了主流與氣膜孔射流的摻混作用。

氣膜孔出口截面的展向速度云圖如圖11所示，從圖中可見(jiàn)，平圓孔氣膜孔出口射流存在展向速度的區(qū)域只存Y/D=-0.5～0.5之間，氣膜孔射流的展向速度是主流對(duì)氣膜孔射流的外卷作用產(chǎn)生的。從圖11（b）中可見(jiàn)，鱗片孔射流的展向速度較高的區(qū)域在Y/D=-1～1之間，這也是展向覆蓋較好效果的原因。

2.2 應(yīng)用2種氣膜冷卻孔的燃燒室特性對(duì)比

將這2種氣膜孔應(yīng)用在同1個(gè)燃燒室模型上進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)熱態(tài)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)的分析來(lái)揭示鱗片孔對(duì)燃燒室壁面冷卻效果的影響以及對(duì)燃燒特性的影響。

應(yīng)用平圓孔的燃燒室外環(huán)內(nèi)壁面靜溫場(chǎng)分布如圖12所示。從圖中可見(jiàn)，平圓孔氣膜只存在與氣膜孔孔后0.5D的位置，氣膜覆蓋效果較差，平圓孔燃燒室壁面溫度較高，燃燒室外環(huán)壁面第3～6排壁面之間壁面溫度處于2400 K左右，即使考慮導(dǎo)熱的影響，也會(huì)超出大多數(shù)航空材料的耐溫極限，極容易燒蝕，大大縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作周期；燃燒室內(nèi)環(huán)壁面在第1～3排氣膜孔區(qū)域內(nèi)也出現(xiàn)了類似的高溫區(qū)，只有第4～6排氣膜孔表現(xiàn)出了稍好的氣膜覆蓋特性，平圓孔對(duì)燃燒室較低的氣膜冷卻效果在較多的燃燒室試驗(yàn)結(jié)果中都存在著。

鱗片孔的燃燒室內(nèi)外環(huán)壁面靜溫場(chǎng)分布如圖13所示，與平圓孔燃燒室相比較，鱗片孔氣膜對(duì)壁面的覆蓋效果較好，鱗片孔燃燒室壁面溫度較低。尤其是外環(huán)第4～6排氣膜孔區(qū)域，由于較好的展向覆蓋特性，氣膜孔射流在壁面展向位置相互重疊，使得氣膜孔位置壁面溫度極低，趨于冷氣溫度，主流燃?xì)鈱?duì)壁面的強(qiáng)化換熱效果較差。

2種氣膜孔在燃燒室壁面的氣膜冷卻效果分別如圖12、13所示。燃燒室至關(guān)重要的參數(shù)OTDF，表征燃燒室出口溫度的均勻性，影響渦輪的工作性能。2種孔型燃燒室出口的溫度場(chǎng)分布分別如圖14、15所示，從圖中可見(jiàn)，應(yīng)用鱗片孔的燃燒室出口溫度較低、高溫區(qū)較小，這是因?yàn)轺[片結(jié)構(gòu)很好地保證了冷氣的冷卻和摻混效果，更少部分的冷氣參與燃燒，更多部分的參與到對(duì)壁面的熱防護(hù)中，使得燃燒室出口溫度場(chǎng)更加均勻。

為了更好地對(duì)應(yīng)用2種氣膜孔的燃燒室壁面氣膜冷卻效果較大的差別做出解釋，平圓孔、鱗片孔燃燒室主燃區(qū)中截面靜溫云圖分別如圖16、18所示，對(duì)主燃區(qū)中截面溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。平圓孔、鱗片孔燃燒室主燃區(qū)中截面速度云圖分別圖17、19所示，對(duì)主燃區(qū)中截面速度場(chǎng)進(jìn)行分析。以外環(huán)壁面第3、6排氣膜孔為例，分別在圖17、19中以圓圈標(biāo)出，從圖17中可見(jiàn)，平圓孔氣膜沿著與壁面接近垂直的方向進(jìn)入燃燒室，氣膜在壁面無(wú)貼附，很大的一部分參與到燃燒或者與高溫氣體的混合。從圖19中可見(jiàn)，對(duì)于應(yīng)用鱗片孔的燃燒室，鱗片孔的外凸鱗片很好地保護(hù)了氣膜，保證了氣膜對(duì)下游壁面的覆蓋效果，保證了氣膜對(duì)壁面附近高溫燃?xì)獾膿交旌洼^好的氣膜冷卻效果。除此以外，內(nèi)環(huán)后排氣膜孔呈現(xiàn)出一樣的現(xiàn)象，應(yīng)用鱗片孔的燃燒室內(nèi)環(huán)壁面附近溫度較低，在圖15中可以得到驗(yàn)證。

2種燃燒室的燃燒特性的對(duì)比結(jié)果分別見(jiàn)表3、4。其燃燒室燃燒效率和總壓恢復(fù)系數(shù)相差不大，由于平圓孔燃燒室氣膜孔不起冷卻作用，冷氣流入燃燒室參與燃燒，燃燒效率偏高，同時(shí)鱗片孔燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)偏高。與以上分析一致的是平圓孔燃燒室的OTDF值較高，對(duì)渦輪的工作性能影響較大；而鱗片孔燃燒室由于出口附近氣膜孔對(duì)壁面附近熱流有較好的冷卻及摻混效果，導(dǎo)致出口溫度分布較均勻。

表3 平圓孔燃燒室燃燒特性

表4 鱗片孔燃燒室燃燒特性

3 結(jié)論

（1）鱗片型氣膜孔的鱗片結(jié)構(gòu)能有效消除外卷對(duì)渦的影響，增強(qiáng)氣膜孔射流的展向動(dòng)量，對(duì)氣膜有較好的保護(hù)作用，具有較好的氣膜冷卻效率和氣膜展向覆蓋特性。

（2）應(yīng)用鱗片氣膜冷卻孔的燃燒室壁面氣膜冷卻效果更優(yōu)于普通平圓孔的燃燒室，對(duì)壁面具有更好的熱防護(hù)效果。應(yīng)用鱗片氣膜冷卻孔的燃燒室出口OTDF較低，燃燒室出口溫度均勻。

（3）鱗片型氣膜孔固有的結(jié)構(gòu)能有效降低冷氣流量、提升冷卻性能，這種結(jié)構(gòu)對(duì)高性能燃燒室的設(shè)計(jì)有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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