俞 駿,劉景源

(南昌航空大學飛行器工程學院,南昌 330063)

0 引言

為了進一步降低污染物排放、拓寬低貧油熄火邊界、增強高空再點火能力,文獻[1]提出了駐渦燃燒室(TVC),并得到了廣泛研究[2-4]。

為增強TVC的性能,Agarwal等[5-6]把導流片引入壁面凹腔TVC,并進行了實驗及數(shù)值模擬分析,結果表明引入的導流片能提高TVC的性能。王志凱等[7]則將導流片引入鈍體結構TVC,并研究了導流片結構參數(shù)對TVC性能的影響。徐舟等[8-9]對帶導流片壁面凹腔TVC進行了結構改進,并研究了結構參數(shù)及燃氣進氣參數(shù)的變化對改進的TVC性能的影響。文獻[10-11]則對單、雙旋流駐渦燃燒室流場結構進行了數(shù)值分析。

引入導流片的TVC在總壓損失系數(shù)可接受的范圍內,不但會形成理想的雙渦對結構、增進主流與凹腔內流動相互作用,而且能夠拓寬低貧油熄火邊界、增強高空再點火能力。但是,所研究的帶導流片的燃燒室均為方形截面[5-11],而實際的截面形狀均為環(huán)形。另外,并未研究引入導流片后的環(huán)形燃燒室入口燃氣參數(shù)變化對燃燒室性能的影響。文中研究進氣參數(shù)變化對帶導流片的三維環(huán)形中心鈍體TVC性能的影響,為工程應用提供參考。

1 計算模型及計算條件

1.1 幾何模型及結構參數(shù)

帶導流片環(huán)形旋渦燃燒室由18個圖1所示的模型繞軸線周期陣列而來,燃燒室總長400 mm,內徑700 mm,外徑900 mm,前、后鈍體軸向長度分別為40 mm、20 mm,導流片厚度為1 mm。其他參數(shù)如表1所示。

圖1 帶導流片的三維環(huán)形TVC尺寸

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

1.2 計算條件

數(shù)值模擬方法及算例驗證詳見文獻[7]。燃燒室進口燃氣速度、當量比及進氣溫度的取值如表2所示。

表2 進口燃氣參數(shù)

2 計算結果與分析

2.1 進氣速度對燃燒室性能的影響

2.1.1 凹腔速度及旋渦結構

數(shù)值模擬進氣速度對燃燒室的影響時,固定進氣當量比φ=0.6,進氣溫度T=300 K。截面0°(對應計算模型中間截面)時凹腔對應的速度及旋渦結構如圖2所示。由圖2可知,不同進氣速度下凹腔旋渦結構基本保持不變,表明TVC的火焰穩(wěn)定幾乎不受來流速度的影響。同時不難看出隨著進氣速度的增加,外側旋渦與主流之間的速度增加,有利于凹腔高溫燃氣與主流之間的熱質交換。另外,圖中導流片出口附近區(qū)域流動速度變高,其原因是導流片出口附近燃氣燃燒釋熱導致流體溫度升高,溫度升高致使密度降低,根據(jù)質量守恒,則流速增加。

圖2 不同進氣速度時0°截面的凹腔速度及旋渦結構

2.1.2 總壓損失系數(shù)

圖3給出了總壓損失系數(shù)σ(定義為進出口總壓相減后除以進口總壓)隨不同進氣速度變化曲線。由圖3可見,進氣速度對總壓損失系數(shù)影響較大。這是因為進氣速度越大,導流片及鈍體對來流的阻礙作用越明顯,型阻越大;同時混合氣體間因運動而產生的損失也越大,再加上流體與燃燒室各壁面間的摩擦阻力,使得總壓損失系數(shù)隨進氣速度增加而增加。

圖3 不同進氣速度時的總壓損失系數(shù)

2.1.3 出口截面NO分布及燃燒效率

圖4為各進氣速度下燃燒室的出口NO質量分數(shù)分布。由圖4可知,隨著進氣速度增大,混合氣體的流速變大,這使得氣體在燃燒室駐留的時間減小,在燃燒室溫度分布大致相同的情況下,NO排放含量降低。這一點也可以從表3的出口NO質量分數(shù)的數(shù)值看出。

圖4 不同進氣速度時出口截面NO質量分數(shù)

進氣速度/(m/s)NO質量分數(shù)206.60×10-7403.75×10-7602.69×10-7802.11×10-71001.87×10-7

圖5為不同進氣速度對燃燒效率η影響曲線。由圖5可見,雖然η隨V的增大而減小,進氣速度對燃燒效率(總體都在97.7%以上)影響較小。參考圖2,雖然進氣速度增加有助于未燃氣體與高溫熱質間的摻混,但駐留時間的減短使得燃燒效率總體呈小幅下降趨勢。

圖5 不同進氣速度時的燃燒效率

2.2 燃氣當量比對燃燒室性能的影響

2.2.1 凹腔速度及旋渦結構

圖6為進氣當量比對凹腔旋渦結構的影響。由圖6可知,隨著進氣當量比的增加,凹腔外側渦對逐漸變大,內側渦對逐漸變小。這是由于當量比增加會使進入凹腔的氣流在經燃燒后所釋放的能量增加,能量增加所導致的流體溫度增加使氣體體積膨脹、密度減小。根據(jù)質量守恒,為流過相同質量流量的流體,則流動通道必然加大,因此促使凹腔流體向兩側擴張,擠壓了內側渦對,使其變小。雖然凹腔旋渦大小發(fā)生變化,但旋渦渦核的位置變化不大。

圖6 不同當量比φ時0°截面的凹腔速度及旋渦結構

2.2.2 總壓損失系數(shù)

圖7為不同當量比下燃燒室總壓損失系數(shù)變化曲線。由圖7可知,隨著進氣當量比的增大,總壓損失系數(shù)逐漸變大。當量比增大使得燃燒室溫度上升,而氣體粘性隨溫度升高是逐漸變大的,這會使得燃燒室摩擦損失增大,另外,燃燒室燃燒放熱產生熱阻損失,因此,總壓損失系數(shù)變大。

圖7 不同當量比φ時的總壓損失系數(shù)

2.2.3 出口截面NO分布及燃燒效率

不同進氣當量比對燃燒室出口NO分布如圖8所示。由圖8可見,不同當量比對NO生成的影響較大:當量比為0.2時,燃燒室?guī)缀醪划a生NO;之后隨當量比的增大,NO急劇變大。由NO生成機理可知,在燃料為CH4的情況下,熱力型NO是燃燒室主要生成途徑[12],而熱力型NO生成含量隨溫度升高而快速增大,因此出口NO分布變化較大。

圖8 不同當量比φ時出口截面NO質量分數(shù)分布

當量比?NO質量分數(shù)0.24.09×10-180.42.17×10-120.62.69×10-70.81.33×10-41.01.07×10-3

圖9為不同當量比下燃燒室燃燒效率變化曲線。由圖9可知,隨著進氣當量比的增大,燃燒效率逐漸變低。燃燒室燃燒效率由于進氣的燃料變多,燃燒從外部向內部傳播所需的時間的變長,促使相同進氣速度、溫度及燃燒室長度下,燃燒效率降低。

圖9 不同當量比φ時燃燒效率

2.3 進氣溫度對燃燒室性能的影響

2.3.1 凹腔速度及旋渦結構

圖10為進氣溫度對凹腔旋渦結構變化的影響。由圖10可見,導流片出口附近速度增加。由于燃燒釋熱導致氣體體積膨脹、密度減小,根據(jù)質量守恒條件,流動速度增大。入口溫度升高時,導流片附近及燃燒室中間通道高速度區(qū)變小是因為燃燒室入口溫度低時的溫升高,導致氣體的體積膨脹更大密度更小,因此入口溫度低時流速比入口溫度高時的大。

另外,凹腔內低流速區(qū)及內側渦對隨進氣溫度的增大而增大,表明進氣溫度增加有助于點火穩(wěn)定。隨著入口溫度增加,溫升減小,氣體體積膨脹率減小,則凹腔中心高速流動區(qū)域減小,對內側渦對的擠壓作用減小,旋渦變大。

圖10 不同進氣溫度時0°截面凹腔速度及旋渦結構

2.3.2 總壓損失系數(shù)

進氣溫度對燃燒室總壓損失系數(shù)的影響如圖11所示。由圖11可見,燃燒室總壓損失系數(shù)隨著入口溫度增加逐漸變小。從圖13可見,不同入口溫度下,燃燒效率均在98%以上,并且入口溫度增加燃燒效率僅僅緩慢增加,而且增幅很小,因此隨著入口溫度的增加,燃燒室溫升減小。由于燃燒室溫升隨著入口溫度增加而減小、熱阻變小,燃燒室總壓損失系數(shù)逐漸變小。

圖11 不同進氣溫度時總壓損失系數(shù)

2.3.3 出口截面NO質量分數(shù)分布及燃燒效率

進氣溫度對出口NO分布的影響如圖12所示。由圖12可知,隨著進氣溫度的升高,燃燒室燃料燃燒越充分,燃燒室內溫度變大,熱力型NO含量上升,因此出口NO分布急劇變大。這一點可以從表5的出口NO質量分數(shù)看出。

圖12 不同進氣溫度時出口截面NO質量分數(shù)分布

進氣速度/(m/s)NO質量分數(shù)3002.69×10-75009.77×10-67002.25×10-49001.87×10-3

進氣溫度對燃燒室燃燒效率的影響如圖13所示。由于燃料與空氣的化學反應速率隨溫度增加而增加,同時已燃氣體與未燃氣體間摻混的加劇,導致了燃燒室整體燃燒效率曲線隨溫度逐漸上升。由于燃燒效率的增大,致使未燃氣體占有的比例減小,因此燃燒效率隨著進口溫度的增加增幅變緩。

圖13 不同進氣溫度時燃燒效率

3 結論

文中對帶導流片的三維環(huán)形TVC在不同進氣速度、燃氣當量比、進氣溫度下的燃燒室進行了數(shù)值模擬,并分析了燃燒室的流動及燃燒的性能,主要結論如下:

1)不同進氣速度下燃燒室凹腔旋渦、燃燒效率及出口NO分布基本不變,但總壓損失系數(shù)隨進口速度增加快速增大。

2)進氣當量比增大導致凹腔內側渦對變小,燃燒效率降低,總壓損失系數(shù)增大,但幅度都不大,且渦核位置基本不變。

3)進氣溫度升高有利于燃燒室凹腔駐渦、降低總壓損失系數(shù)、增加燃燒效率。

4)進氣當量比及進氣溫度的升高使得燃燒室溫度變高,出口NO排放量增加。

綜上,從增加燃燒室性能的角度,權衡多個性能參數(shù),當進氣速度為20 m/s、當量比為0.2、進氣溫度為500 K時,燃燒室性能最佳。