任冠龍，孫?？。?樂，徐義華

(1 南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063；2 江西省微小航空發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

0 引言

射流穩(wěn)焰是近年來發(fā)展的一種新的穩(wěn)焰方式，其原理是通過射流的方式在主燃區(qū)內(nèi)形成低速再循環(huán)區(qū)用于穩(wěn)定火焰。射流穩(wěn)焰的優(yōu)點(diǎn)在于可以定量控制噴射的空氣流量，加上燃燒室內(nèi)不存在鈍體，重量相對(duì)較輕。

早期針對(duì)射流穩(wěn)焰燃燒室，Bauer等對(duì)三維射流燃燒室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并提供了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于以后的數(shù)值模擬對(duì)比。研究射流穩(wěn)焰燃燒室屬于多相流問題，由于研究方法很多，主要包括拉格朗日法、歐拉法等。Kurreck等對(duì)射流穩(wěn)焰燃燒室中兩相流進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明在計(jì)算兩相流時(shí)，歐拉/拉格朗日方法比較適用。Klose等利用歐拉兩相流和假設(shè)的概率密度函數(shù)來評(píng)估渦流如何穩(wěn)定燃燒室，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明假設(shè)的概率密度函數(shù)模型更加接近實(shí)驗(yàn)值。Bazdidi等利用假設(shè)的概率密度函數(shù)來模擬噴霧燃燒，并表明假設(shè)的-PDF模型與渦耗散模型相比能夠較好的捕捉溫度分布。Zeinivand等研究了射流孔的數(shù)量和位置對(duì)射流穩(wěn)焰燃燒室的燃燒特性以及氮氧化物排放的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著射流孔數(shù)量的增加，燃燒室中間區(qū)域的冷流與側(cè)面區(qū)域的熱流之間溫差較大，導(dǎo)致了燃燒室下游區(qū)域溫度分布不均勻，同時(shí)一氧化氮的排放量也會(huì)增加。隨著穩(wěn)定器噴口和燃料噴射器之間距離的增加，會(huì)降低一氧化氮的濃度。Yang等研究了新型橢圓射流穩(wěn)焰燃燒室的燃燒特性，通過改變半長(zhǎng)/半短軸之比，得出合適的半長(zhǎng)/半短軸之比可以提高溫度的均勻性并降低污染物的排放。Sun等研究了射流穩(wěn)焰燃燒室的氫燃燒和流動(dòng)特性，通過對(duì)比不同當(dāng)量比的氫/空氣燃燒特性，得出小當(dāng)量比下燃燒室可以表現(xiàn)出較為理性的燃燒特性，大當(dāng)量比不利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。翟小飛等研究了超聲速氣流中液體橫向射流霧化的過程，結(jié)果表明當(dāng)初始霧化錐角的增加時(shí)，相同橫截面上射流穿透深度會(huì)減小。另外，液滴穿透深度及分布與初始液滴有很大的關(guān)系。

從以往研究中表明，燃燒室回流區(qū)內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)受射流參數(shù)的影響較大，導(dǎo)致穩(wěn)焰效果隨著噴射孔的位置、傾斜角度以及大小的變化而發(fā)生變化。因此，綜合AVC、TVC添加鈍體以及添加旋流器等穩(wěn)焰方式，發(fā)展組合構(gòu)型燃燒室是提高射流穩(wěn)焰方式的有效方法。

文中在射流穩(wěn)焰燃燒室構(gòu)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合擾流板、凹腔駐渦穩(wěn)焰等燃燒室特點(diǎn)，提出了3種組合穩(wěn)焰構(gòu)型，并對(duì)提出的不同構(gòu)型射流穩(wěn)焰燃燒室進(jìn)行冷態(tài)模擬研究。

1 幾何模型

不同構(gòu)型燃燒室如圖1所示。構(gòu)型1為基礎(chǔ)模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)為：在笛卡爾坐標(biāo)系下，坐標(biāo)原點(diǎn)與燃料入口的圓心重合，燃燒室軸向長(zhǎng)度為400 mm，直徑為80 mm，燃料入口直徑為3 mm，在燃燒室壁面距離燃料入口處均向布置4個(gè)直徑為8 mm的空氣射流孔。

圖1 燃燒室構(gòu)型(單位:mm)

構(gòu)型2在燃燒室內(nèi)添加了擾流柱，即4個(gè)空氣射流孔向燃燒室內(nèi)延伸15 mm，其余尺寸與構(gòu)型1相同。構(gòu)型3是在燃燒室內(nèi)形成凹腔駐渦結(jié)構(gòu)，即在距離燃燒室頭部69 mm處，燃燒室壁面徑向長(zhǎng)度縮短20 mm，整體結(jié)構(gòu)為階梯狀，其余尺寸與構(gòu)型1相同。構(gòu)型4在燃燒室內(nèi)添加擾流板，即在距離燃燒室頭部55 mm和65 mm處布置擾流板，該擾流板深入長(zhǎng)度為15 mm，擾流板寬度為10 mm, 4個(gè)空氣射流孔均向布置在擾流板上，其余尺寸與構(gòu)型1相同。

2 數(shù)值模擬方法

1)計(jì)算方法

文中湍流計(jì)算選用Realizable-模型，動(dòng)量方程、湍流耗散率以及湍流動(dòng)能等均采用二階迎風(fēng)差分格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分，壓力速度耦合為SIMPLE算法，將所有方程的收斂準(zhǔn)則設(shè)置為殘差10。

2)邊界條件

選用的氣體燃料是丙烷，射流穩(wěn)焰燃燒室的燃料入口和空氣射流入口方式均采用質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量大小分別為2.7×10kg/s, 9.638×10kg/s，燃燒室出口采用壓力出口，操作壓力為101 325 Pa，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的無滑移壁面。

3 計(jì)算網(wǎng)格及無關(guān)性驗(yàn)證

采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)燃燒室計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在燃料入口以及空氣射流孔等區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證采用的網(wǎng)格數(shù)分別為50萬、130萬和220萬。圖3為不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)燃燒室中心截面軸向=22 mm處的徑向速度分布。由圖3可見，130萬網(wǎng)格和220萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果差異很小，所以為減小計(jì)算量，采用網(wǎng)格數(shù)為130萬左右網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值模型驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[1]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，表明所選擇的計(jì)算模型和方法可用于射流穩(wěn)焰燃燒室的冷態(tài)模擬研究。

圖4 X=0.098 m處軸向速度的徑向分布

4.2 速度流線和渦結(jié)構(gòu)

射流燃燒室穩(wěn)焰的因素在于燃燒室頭部與空氣射流孔之間形成的旋渦，圖5為4種構(gòu)型射流穩(wěn)焰燃燒室中心截面的速度流線分布圖,可以看出4種不同構(gòu)型的燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)均關(guān)于中心軸線對(duì)稱。

圖5 燃燒室中心截面速度和流線分布圖

對(duì)于構(gòu)型1，在燃燒室內(nèi)形成了3對(duì)旋渦，分別位于燃料噴口處、空氣射流孔的左側(cè)以及燃燒室下游。燃料噴口處的渦為左側(cè)渦對(duì)，主要由燃料噴射的速度流線形成，占據(jù)了較小的主燃區(qū)區(qū)域?？諝馍淞骺鬃髠?cè)的渦形成的原因是空氣射流對(duì)沖，使得大量的流體向上游回流，之后再與燃料射流碰撞，該渦對(duì)充滿了燃燒室頭部的大部分區(qū)域且渦核靠近空氣射流孔的左側(cè)，左側(cè)渦對(duì)對(duì)燃燒室頭部右側(cè)渦對(duì)的影響很小，而且左側(cè)渦對(duì)和燃燒室頭部右側(cè)渦對(duì)的流線方向均指向渦核，說明旋渦比較穩(wěn)定。從圖中能看出左側(cè)渦對(duì)中有小部分的速度流線流向右側(cè)渦對(duì)，表明右側(cè)渦對(duì)對(duì)左側(cè)渦對(duì)有擾動(dòng)作用。在燃燒室下游存在一對(duì)旋渦，渦核靠近空氣射流孔的右側(cè)，且旋渦的流線方向背離渦核。

對(duì)于構(gòu)型2，速度流線整體分布與構(gòu)型1類似，在燃燒室內(nèi)形成了3對(duì)旋渦，分別位于燃料噴口處、空氣射流孔的左側(cè)以及燃燒室下游。燃料噴口處的渦形成原因與構(gòu)型1相似，同樣占據(jù)了較小的主燃區(qū)區(qū)域?？諝馍淞骺鬃髠?cè)的渦形成原因與構(gòu)型1相似，但該渦對(duì)的分布相對(duì)獨(dú)立，邊界比較清晰，與構(gòu)型1形成渦對(duì)相比，該渦對(duì)范圍較廣，而且左側(cè)渦對(duì)和燃燒室頭部右側(cè)渦對(duì)的流線方向均指向渦核，說明旋渦比較穩(wěn)定。在燃燒室下游存在一對(duì)旋渦，渦核靠近空氣射流孔的右側(cè)，與構(gòu)型1燃燒室下游渦對(duì)相比，該渦對(duì)軸向范圍相對(duì)較窄，渦核更靠近燃燒室下游壁面，且旋渦的流線方向背離渦核。

對(duì)于構(gòu)型3，在燃燒室內(nèi)形成了兩對(duì)旋渦，分別位于燃料噴口處以及空氣射流孔的左側(cè)，燃料噴口處的渦主要由燃料噴射的速度流線形成，占據(jù)了較小的主燃區(qū)區(qū)域。空氣射流孔左側(cè)的渦形成原因與構(gòu)型1相同，且充滿了主燃區(qū)的大部分區(qū)域，而且左側(cè)渦對(duì)和燃燒室頭部右側(cè)渦對(duì)的流線方向均指向渦核，說明旋渦比較穩(wěn)定。由于構(gòu)型3燃燒室下游周向面積減小，使得燃燒室下游未形成旋渦對(duì)，從速度云圖中能夠看出，在燃燒室下游，相比于其他3個(gè)構(gòu)型，構(gòu)型3產(chǎn)生的速度較快，速度大小為8 m/s左右。

對(duì)于構(gòu)型4，速度流線整體分布與構(gòu)型1和構(gòu)型2類似，在燃燒室內(nèi)形成了3對(duì)旋渦，分別位于燃料噴口處、空氣射流孔的左側(cè)以及燃燒室下游，燃料噴口處的渦主要由燃料噴射的速度流線形成，與前3個(gè)模型相比，該構(gòu)型形成的左側(cè)渦對(duì)比較大，對(duì)燃燒室頭部的右側(cè)渦對(duì)產(chǎn)生了擠壓作用。由于擠壓的作用使得燃燒室頭部右側(cè)渦對(duì)的渦核附近流線方向發(fā)生傾斜。而且左側(cè)渦對(duì)和燃燒室頭部右側(cè)渦對(duì)的流線方向均指向渦核，說明旋渦比較穩(wěn)定。在燃燒室下游存在一對(duì)旋渦，與前3個(gè)模型相比，在軸向范圍內(nèi)該渦結(jié)構(gòu)比較大，且旋渦的流線方向背離渦核。

4.3 湍動(dòng)能分布

湍動(dòng)能是衡量燃燒室中湍流脈動(dòng)大小的重要指標(biāo)，當(dāng)湍動(dòng)能較大時(shí)有利于燃料與空氣的摻混，圖6為4種構(gòu)型射流穩(wěn)焰燃燒室的湍動(dòng)能云圖。

圖6 4種構(gòu)型的湍動(dòng)能云圖

從圖中能夠得出4種構(gòu)型的湍動(dòng)能云圖均關(guān)于中心軸線對(duì)稱，但燃燒室內(nèi)的湍動(dòng)能分布區(qū)域大小不一，說明了4種構(gòu)型燃料與空氣摻混的程度也不相同，通過對(duì)比湍動(dòng)能云圖能夠得出構(gòu)型2、構(gòu)型3、構(gòu)型4的湍動(dòng)能較大區(qū)域范圍均比構(gòu)型1大，且4種構(gòu)型中，構(gòu)型2的湍動(dòng)能分布區(qū)域最廣，原因是構(gòu)型2的結(jié)構(gòu)僅是將空氣射流孔向內(nèi)延伸，縮短了空氣射流的距離，再加上空氣射流對(duì)沖進(jìn)入燃燒室，在距離縮短的情況下，空氣與燃料摻混時(shí)的動(dòng)能更大，使得燃燒室頭部形成的右側(cè)渦對(duì)強(qiáng)度增大，湍流脈動(dòng)較大。 圖7為4種構(gòu)型射流穩(wěn)焰燃燒室中心軸向湍動(dòng)能對(duì)比圖。

圖7 4種構(gòu)型的中心軸向湍動(dòng)能對(duì)比圖

從圖7中能看出4種構(gòu)型燃燒室的湍動(dòng)能變化曲線大致相同，均是先略微的上升和下降，之后再上升到最大值再下降直至穩(wěn)定。在軸向范圍[0 m,0.02 m]內(nèi)，湍動(dòng)能曲線呈現(xiàn)略微上升的趨勢(shì)，原因是在燃料入口附近燃料占主導(dǎo)地位，由于空氣射流對(duì)沖的作用，產(chǎn)生的旋渦會(huì)卷吸少量空氣，導(dǎo)致該范圍內(nèi)的空氣量較少，此時(shí)少量的空氣與燃料摻混導(dǎo)致湍動(dòng)能的增加。在軸向范圍[0.020 m,0.025 m]內(nèi)，湍動(dòng)能曲線呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，原因是隨著噴射的燃料繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在中心軸線上的旋渦強(qiáng)度較弱，不利于燃料與空氣的摻混。在軸向范圍[0.025 m,0.060 m]內(nèi)，湍動(dòng)能曲線呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，原因是隨著燃料繼續(xù)沿軸線向前運(yùn)動(dòng)，燃料的位置就越靠近空氣射流孔，在空氣射流孔附近空氣占主導(dǎo)地位，形成的旋渦范圍廣、強(qiáng)度大，空氣量增多，湍流脈動(dòng)較大。在軸向范圍[0.06 m,0.15 m]內(nèi)，湍動(dòng)能曲線開始下降，因?yàn)樵谥魅紖^(qū)內(nèi)燃料與空氣幾乎完全摻混，導(dǎo)致燃燒室下游的燃料很少，同時(shí)在燃燒室下游形成了不穩(wěn)定旋渦對(duì)。在軸向范圍[0.15 m,0.40 m]內(nèi)，湍動(dòng)能曲線變化相對(duì)平緩，原因是該軸向范圍內(nèi)未形成旋渦對(duì)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，湍流脈動(dòng)相對(duì)較小。

4.4 摻混效果評(píng)估

射流穩(wěn)焰燃燒室中主燃區(qū)是主要的摻混區(qū)，燃料與空氣在此區(qū)域內(nèi)的摻混效果直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。為衡量不同構(gòu)型主燃區(qū)內(nèi)燃料與空氣的摻混效果，引入氣相摻混度。氣相摻混度是指燃燒室中氧氣與燃料中某一組分之間的摻混程度，計(jì)算方法如式1所示:

(1)

式中:為氧氣與組分之間的氣相摻混度取值范圍在[0,1]之間；為空氣進(jìn)口處氧氣與燃料進(jìn)口處組分的質(zhì)量流量比；為燃料組分的質(zhì)量百分含量；O為空氣中氧氣的質(zhì)量百分含量。

圖8為不同構(gòu)型射流穩(wěn)焰燃燒室在不同軸向位置截面處丙烷與氧氣的摻混度對(duì)比圖。

圖8 燃燒室內(nèi)氣相摻混度

由圖8可知，在主燃區(qū)(0～0.06 m)內(nèi)，構(gòu)型2的摻混度最大，因?yàn)橄騼?nèi)延伸的空氣射流孔縮短了空氣對(duì)沖的距離，距離的縮近導(dǎo)致空氣對(duì)沖動(dòng)能變大，在主燃區(qū)內(nèi)形成的旋渦對(duì)強(qiáng)度較大，更有利于燃料與空氣的摻混。在軸向范圍[0.06 m,0.07 m]內(nèi)，不同構(gòu)型的摻混度繼續(xù)增大，原因是該位置處于空氣射流孔的右邊，在主燃區(qū)內(nèi)未摻混完的燃料繼續(xù)與空氣進(jìn)行摻混。在軸向范圍[0.07 m,0.16 m]內(nèi)，不同構(gòu)型的摻混度出現(xiàn)不同幅度的上升，但構(gòu)型3中曲線上升幅度較平緩，原因是由于燃燒室結(jié)構(gòu)不同，構(gòu)型3在燃燒室下游未出現(xiàn)旋渦對(duì)，其余構(gòu)型在燃燒室下游均出現(xiàn)了不穩(wěn)定旋渦對(duì)。在軸向范圍[0.16 m,0.40 m]內(nèi)，構(gòu)型4的摻混度最大，其余構(gòu)型摻混度近似相同，原因是構(gòu)型4中主燃區(qū)內(nèi)燃料與空氣的摻混量較少，在燃燒室下游殘余燃料較多，再次與空氣進(jìn)行摻混。

為分析不同構(gòu)型的摻混度波動(dòng)程度，對(duì)其進(jìn)行均方差(STD)分析，均方差表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

圖9為不同工況的氣相摻混度均方差對(duì)比。由圖9可知，構(gòu)型2的氣相摻混度均方差較低，其數(shù)值為0.204。由此表明在構(gòu)型2的燃燒室內(nèi)燃料與空氣的摻混效果較好且摻混比較均勻。

圖9 不同構(gòu)型氣相摻混度均方差對(duì)比

4.5 燃料分布

通過觀察不同軸向位置處的徑向方向上燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能夠得出燃料變化趨勢(shì)。圖10為4種構(gòu)型射流穩(wěn)焰燃燒室在不同軸向位置處丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比圖。

圖10 4種構(gòu)型的軸向丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比圖

在軸向位置=0.02 m處，徑向范圍[0 m,0.04 m]內(nèi)不同構(gòu)型丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由最大值降低至最小值之后再略微增大，由最大值降低至最小值的原因是燃料噴射口處丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，隨著空氣對(duì)沖使得空氣向上游回流，回流的空氣與丙烷進(jìn)行摻混，使丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。略微增大的原因是少量丙烷被空氣旋渦對(duì)卷吸在燃燒室頭部壁面附近。此軸向位置處丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小依次為構(gòu)型4、構(gòu)型3、構(gòu)型1、構(gòu)型2。在軸向位置=0.04 m處，相比上一位置，不同構(gòu)型丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，一方面原因是隨著丙烷燃料繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，旋渦強(qiáng)度越來越大，丙烷與空氣之間不斷摻混；另一方面隨著丙烷燃料運(yùn)動(dòng)距離的增大，動(dòng)能降低。在徑向范圍[0 m,0.04 m]內(nèi)，丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大，原因是燃料的位置越來越靠近渦核，部分燃料被卷吸在燃燒室壁面附近。此軸向位置處丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小依次為構(gòu)型4、構(gòu)型3、構(gòu)型1、構(gòu)型2。在軸向位置=0.08 m處，丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線呈現(xiàn)右置“W”分布，在中心軸線處，丙烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，原因是在主燃區(qū)內(nèi)大量丙烷與空氣進(jìn)行了摻混，只有少量丙烷燃料運(yùn)動(dòng)到此位置處。在徑向位置=±0.03 m處，構(gòu)型1、構(gòu)型2以及構(gòu)型4中丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了最大值，原因是該位置靠近渦核，部分燃料被卷吸在該位置附近。在軸向位置=0.14 m處，丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低，因?yàn)樵撐恢锰幱谌紵蚁掠?，只剩下少量的丙烷燃料。整體來看，在主燃區(qū)(0～0.06 m)內(nèi)，構(gòu)型2中丙烷與空氣的摻混量最多。

5 結(jié)論

文中對(duì)4種不同構(gòu)型的射流穩(wěn)焰燃燒室進(jìn)行了冷態(tài)模擬研究，得出以下結(jié)論：

1)在燃燒室主燃區(qū)(0～0.06 m)內(nèi)，4種構(gòu)型燃燒室的旋渦結(jié)構(gòu)分布相似，均能形成兩對(duì)旋渦，分別為左側(cè)小渦對(duì)和右側(cè)大渦對(duì)，且構(gòu)型2的旋渦結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，邊界比較清晰，而構(gòu)型4的旋渦結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生了擠壓。在燃燒室下游(0.06～0.40 m)時(shí)，構(gòu)型1、構(gòu)型2以及構(gòu)型4的速度流線分布相似，在軸向方向上，構(gòu)型4的旋渦結(jié)構(gòu)更大些，而構(gòu)型3在燃燒室下游未形成旋渦對(duì)，但構(gòu)型3在燃燒室下游形成的速度較快，大小為8 m/s左右。

2)湍動(dòng)能云圖顯示構(gòu)型2的湍動(dòng)能分布區(qū)域較大，軸向湍動(dòng)能對(duì)比圖顯示在軸向范圍[0.025 m,0.060 m]內(nèi)，構(gòu)型2的湍動(dòng)能較大，更有利于燃料與空氣的摻混。

3)主燃區(qū)(0～0.06 m)內(nèi)，構(gòu)型2的氣相摻混度最高。整個(gè)軸向位置截面上，構(gòu)型2的氣相摻混度曲線波動(dòng)和均方差(=0.204)最小，摻混更加均勻。

4)在軸向位置=0.02 m和=0.04 m處，構(gòu)型2的丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。在軸向位置=0.08 m，徑向位置=±0.03 m處，構(gòu)型2的丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值；在軸向位置=0.14 m處，4種構(gòu)型的丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比較小。