涡轮冲压组合发动机加力/冲压燃烧室流动及燃烧模拟

王玉男，王占学，张军峰

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.西北工业大学动力与能源学院，西安710072）

涡轮冲压组合发动机加力/冲压燃烧室流动及燃烧模拟

王玉男1，王占学2，张军峰1

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.西北工业大学动力与能源学院，西安710072）

为了解加力/冲压燃烧室内流场分布特性，利用0维串联式涡轮冲压组合发动机(TBCC)性能计算程序得到发动机主要截面参数结果。基于计算流体力学（CFD）模拟方法，进行了小型涡轮冲压组合发动机在关加力模态、开加力模态、模态转换和冲压模态下加力/冲压燃烧室内部流动及燃烧模拟，分析了单环和双环火焰稳定器对加力/冲压燃烧室长度等方面的影响，通过对比可知：在同等长度下含有双环火焰稳定器的燃烧室出口温度更高。

加力/冲压燃烧室；涡轮冲压组合发动机；流动；燃烧；计算流体力学；数值模拟

0 引言

涡轮冲压组合发动机（TBCC）作为1种新形式的吸气式发动机，拥有比传统涡轮发动机更宽的飞行范围、比火箭发动机更大的比冲、可以使用常规碳氢燃料、具有较好的经济性等特点，可作为水平起降重复使用临近空间飞机、空天入轨飞机以及远程高空高速导弹的动力装置，满足空天一体化飞行的发展趋势[1-3]。

TBCC已成为各国公认的空天飞行器动力装置未来发展方向之一，一般分为串联和并联2种结构形式。在串联式TBCC中，加力/冲压燃烧室（以下简称燃烧室）如何在TBCC各工作模态下，高效组织燃烧是该类型TBCC研究的关键技术之一[4-7]。在低速飞行时，涡轮发动机通道（内涵）和冲压发动机通道（外涵）的压差很大，要通过空气调节装置将冲压发动机通道关闭，发动机完全以燃气涡轮模态工作，此时，燃烧室具有涡轮发动机加力燃烧室的特性。同样，在高马赫数条件下，气动加热对涡轮发动机结构有重大影响，为了避免发动机受到破坏，空气调节装置将涡轮发动机通道关闭，使涡轮发动机通道与冲压发动机通道隔离，此时，发动机完全以冲压模态工作，燃烧室具有亚燃冲压发动机燃烧室的特性。由于涡轮、冲压2种模态转换过程无法在瞬间完成，另外，为避免发动机推力在转换中剧烈波动，对发动机2个模态之间的转换采用逐渐过渡的方式（模态转换）。因此，在模态转换过程中内、外涵气流经过掺混后进入燃烧室。采用3维CFD数值模拟的方法，可以对燃烧室工作过程进行全面细致的研究。此外，燃烧室内放置火焰稳定器等阻塞部件，为流场研究带来一定困难，采用3维CFD数值模拟的方法，可以帮助筛选燃烧室设计方案。

本文基于小型远程高速飞行器对TBCC的需求，开展了小型TBCC燃烧室研究，采用CFD技术对TBCC不同模态燃烧室内部流动及燃烧过程进行了模拟和分析，并对含单环和双环火焰稳定器的燃烧室性能进行了比较。

1 含单环火焰稳定器的燃烧室内部流动及燃烧模拟

1.1燃烧室工作过程CFD模拟

燃烧室内部流动复杂，无论试验还是理论研究都有很大困难。CFD的不断发展为研究工作开辟了新的道路，把扩压器和燃烧段作为1个整体，模拟了燃烧室在不同模态下的工作过程。在3维CFD模拟之前，有必要对计算模型进行一定简化，简化原则是抓住影响流场特征的主要因素。为简化计算，将TBCC内涵热气流成分简化为热空气。

燃烧室的关加力模态是冷态流场，即单相流场。湍流模型采用κ-ε模型的气相N-S方程。燃烧室的开加力、模态转换、冲压模态均涉及燃烧，属于2相流场，在计算时需要加入相关组分方程、离散相液滴方程等。燃烧模型采用基于化学反应动力学的涡耗散概念模型。燃烧室3维CFD模拟所涉及的边界条件有以下几类：进口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件。燃烧室进口（即扩压器进口，燃烧室包括扩压器和燃烧段，气体经扩压器减速增压后进入燃烧段燃烧）选取压力进口边界条件，出口选取压力出口边界条件，壁面边界条件采用无滑移边界条件。由0维程序计算（考虑了来流和燃烧室下游阻塞条件）的燃烧室进口参数见表1，表中选取了TBCC沿飞行轨迹工作不同模态的4个工作点。在不同模态，燃烧室要能够在内涵热气流、内、外涵掺混、外涵冷气流等来流条件下稳定工作，区别于传统的加力燃烧室和冲压燃烧室的标志。燃烧室出口参数（0维程序计算结果）见表2。含有单环火焰稳定器的燃烧室出口（此时燃烧室长度LT=4.1929）参数CFD模拟结果见表3。

表1 燃烧室进口参数（参数均经无量纲处理）

表2 燃烧室出口参数（0维程序计算结果）

表3 燃烧室出口CFD模拟结果

1.2模拟结果对比及分析

由表2和表3对比可见，关加力模态是单纯的气体流动模拟，不涉及燃烧模拟，气体流动过程中仅产生流动损失，所以CFD模拟结果与0维程序计算的结果（见表2）吻合较好。然而，对于其他3个模态燃烧室出口的总温和马赫数来说，CFD模拟结果与0维程序计算结果有一定差异。

在开加力模态燃烧室进口气流温度较高，燃油在火焰稳定器前方蒸发度可达80%以上，比较容易组织燃烧[8]，此外，当进行CFD模拟时，设置进入燃烧室的气流为热空气，其含氧量高于涡轮出口燃气的，导致开加力模态3维CFD模拟得出燃烧室出口总温高于0维计算结果；在模态转换过程中，冲压外涵通道打开，燃烧室进口有冷气流入，因此，进口气流温度低，燃油在火焰稳定器前方的蒸发度较低，此外，冷、热气流掺混造成一定总压损失，致使燃烧组织比较困难；在冲压模态下，进入燃烧室的气流全部为经冲压外涵压缩的空气，气流温度相对较低，导致燃油蒸发度很低，燃烧效率不高。

0维程序仅能计算燃烧室进口和出口气动参数，进、出口截面的总压损失、温升等系数均由燃烧室特性图给出[9]，并不涉及火焰稳定器放置、燃油喷射等因素对出口温度的影响。这些都是造成0维程序计算和3维CFD模拟结果有差异的原因。但从发动机总体设计角度以及燃烧室内部流动、燃烧机理研究等方面来说，这种采用0维程序计算结果作为3维CFD模拟输入的研究方法是可行的。

燃烧室在不同模态下工作的内部流动马赫数分布如图1所示。从图1（a）中可见，扩压器进口气流速度较高，气流通过扩压器后减速增压，火焰稳定器对气流的扰动形成有利于火焰传播的低速流动区。扩压器进口气流分为绿色和蓝色2路，如图1（c）所示，其中流速较高的绿色气流为冲压外涵气流、流速较低的蓝色气流为涡轮内涵气流。扩压器中蓝色区域为涡轮内涵流道，如图1（d）所示，冲压模态下该区域关闭，气流沿外涵直接流入扩压器。

图1 含单环火焰稳定器的燃烧室不同模态马赫数分布

燃烧室在不同模态下工作的内部总温分布如图2所示。从图中可见，扩压器出口处（发动机中心锥后部）气流流速较低，利于火焰传播，而且，此处因局部富油，导致温度较高。火焰稳定器对气流的扰动形成有利于发动机点火和火焰传播的气流低速流动区，此类区域总温较高。从图2（b）中可见，来流为涡轮出口的热气流，且集中在燃烧室中部区域，有利于燃烧。从图2（c）中可见，来流为内、外涵不同速度的热、冷气流，2股气流掺混后进行燃烧，对燃烧效率会产生一定影响。从图2（d）中可见，内涵关闭，来流为外涵冷气流，沿着壁面区域流入（图中燃烧室进口深蓝色区域），且分散在燃烧室壁面区域，燃烧室中部温度较低，导致燃烧室出口总温较低。此外，由于内涵关闭，一部分外涵来流在内涵进口区域减速（图中燃烧室进口浅绿色区域），此处气流总温升高。

图2 含单环火焰稳定器的燃烧室不同模态总温分布

燃烧室在不同模态的内部流动总压分布如图3所示。从图3（d）中可见，扩压器中红色区域为外涵冷气流、黄色区域为内涵热气流、冷热气流在扩压器中混合造成一定总压损失。火焰稳定器对气流的扰动也形成总压相对较低的区域，如图3（a）所示。另外，火焰稳定器处的燃油燃烧也会降低总压。

图3 含单环火焰稳定器的燃烧室不同模态总压分布

2 含双环火焰稳定器的燃烧室内部流动及燃烧模拟

不同环数火焰稳定器对燃烧室长度的影响如图4所示。在燃烧室半径和火焰传播角度一定的情况下，火焰稳定器环数越多，燃烧室长度越短。此外，为提高燃烧效率和燃烧稳定性，火焰稳定器往往采用多环形式[10]。以下研究含双环火焰稳定器燃烧室的内部流动、燃烧过程。

图4 不同环数火焰稳定器对燃烧室长度的影响

含双环火焰稳定器的燃烧室进口参数见表1。基于CFD模拟得到的含有双环火焰稳定器的燃烧室出口（此时整个燃烧室长度为LT=2.4729）参数见表4。对含有双环火焰稳定器和含有单环火焰稳定器的燃烧室CFD模拟结果进行对比可以看出，二者的出口参数相差不大，但双环火焰稳定器结构可以有效缩短燃烧室长度、减轻发动机质量，然而燃烧室出口总温和马赫数依然与0维程序计算结果依然有出入，原因同第1.2节。

表4 含双环火焰稳定器的燃烧室CFD模拟结果

提高燃烧效率的方法之一是增加燃烧室的长度。随着燃烧室长度的增加，燃烧效率提高，燃烧室温度升高[8]，将含双环火焰稳定器的燃烧室出口截面延长至LT=4.1929（含单环火焰稳定器燃烧室长度）处，其出口参数CFD模拟结果见表5。从表中可见，延长燃烧室长度有利于燃烧和提高燃烧室出口的总温，在同样长度下含双环火焰稳定器的燃烧室出口总温高于含有单环火焰稳定器的燃烧室。延长燃烧室出口截面至4.1929 m处的CFD数值模拟结果与0维程序计算结果更接近。

表5 含双环火焰稳定器的燃烧室CFD模拟结果（LT=4.1929）

含双环火焰稳定器的燃烧室内部流场马赫数、总温、总压分布如图5～7所示。

图5 含双环火焰稳定器的燃烧室不同模态马赫数分布

图6 含双环火焰稳定器的燃烧室不同模态总温分布

图7 含双环火焰稳定器的燃烧室不同模态总压分布

3 结论

以0维串联式涡轮冲压组合发动机性能计算程序在关加力模态、开加力模态、模态转换和冲压模态计算的主要截面参数为进口条件，对燃烧室内部流动、燃烧过程进行模拟。得出以下结论：（1）3维CFD模拟是对0维程序计算的补充，采用3维CFD数值模拟能够直观表现出燃烧室内部掺混、流动、燃烧过程。从涡轮冲压发动机总体设计的角度考虑，采用3维CFD数值模拟方法能够给出燃烧室基本尺寸量级。

（2）对燃烧室内部冷态、热态流动、燃烧过程进行了模拟和分析。通过对含单环和双环火焰稳定器的燃烧室出口参数对比可以发现，在同等长度下含有双环火焰稳定器的燃烧室出口温度更高。

（3）3维CFD数值模拟的湍流模型、燃油喷射初始条件、燃油蒸发过程等假设对模拟结果影响很大，模拟结果还缺乏相应试验验证，下一步应同时开展数值模拟与试验相结合的方法开展深入研究。

[1]Shaw R J,Peddie C L.Overview of the Turbine Based Combined Cycle(TBCC)program[R].NASA-CP-2003-212458.

[2]TangMing.Hypersonicsaperiodic quest[R].AIAA-2005-3258.

[3]Walker D S.TBCC propulsion for a Mach 6 hypersonic airplane[R].AIAA-2009-7238.

[4]Bartolotta P A.High speed turbines:development of a Revolutionary Turbine Accelerator(RTA)for space access[R]. AIAA-2003-6943.

[5]Davoudzadeh F.Numerical simulation of the RTA combustion rig[R].NASA-TM-2005-213899.

[6]McNelis N,Bartolotta P.Revolutionary Turbine Accelerator (RTA)demonstrator[R].AIAA-2005-3250.

[7]Lee J.The Ge-NASA RTA hyperburner design and development[R].NASA-TM-2005-213803.

[8]航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册(第11册)：加力燃烧室[M].北京：航空工业出版社，2001：5-8.

Aeroengine Design Handbook Commitment.Aeroengine design handbook（Eleventh volumes）：afterburner[M].Beijing:Aviation Industry Press,2001:5-8.(in Chinese)

[9]Sellers JF,Daniele C J.DYNGEN-a program for calculating steady-state and transient performance of turbojetand turbofan engines[R].NASA-TN-D-7901,1975.

[10]黄日鑫，谭永华.亚燃燃烧室稳态工作过程数值研究[J].火箭推进，2009，35（2）：18-21.

Huang Rixin,Tan Yonghua.Numerical investigation on working process[J].Journal of Rocket Propulsion,2009,35（2）：18-21.(in Chinese)

Flow and Combustion Simulation of Augmented/Ram jet Burner for Turbine Based Combined Cycle Engine

WANG Yu-Nan1，WANG Zhan-Xue2，ZHANG Jun-Feng1
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.Collegeofpowerand Energy,Northwestern PolytechnicalUniversity,Xi'an 710072,China）

To investigate the vortex distribution characteristics of augmented/ramjet burner,themain section parameters of Turbine Based Combined Cycle(TBCC)enginewere obtained by 0-dimension numerical computation program.The flow and combustion state of the turbine/ramjet combined engine at close augmented burner mode,open augmented burner mode,mode transition and ramjetmode were simulated based on Computational Fluid Dynamics(CFD)simulation method.The influences of single-ring and double-ring flameholder on the length of augmented/ram jet burner were analyzed.The contrast result show that the exit total temperature of burner with double-ring flameholderwas higher than thatwith single-ring flameholder at the same length.

augmented/ram jetburner;TBCC;flow;combustion；CFD;simulation

2012-05-24

王玉男（1984），男，硕士，工程师，从事航空发动机总体性能设计工作。