燃油分布以及来流紊流度对点火的影响

王超

摘 要：本文采用大渦模拟模计算方法对某型发动机燃烧室的点火过程的进行了数值模拟，模拟了电火花形成高温火团后的火焰传播的燃烧过程。通过分析数值模拟的结果认为燃烧室内的空气流场与燃油雾化的油雾相互作用会影响燃烧室点火性能。

关键词：环形燃烧室；大涡模拟；点火过程

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0029-02

1 引言

点火是所有航空燃气轮机正常工作的关键步骤，航空发动机的高空再点火能力，是发动机设计的一个重要约束[1]。一个成功的点火过程通常分为三个阶段[2]：第一阶段是形成一个足够尺寸和足够温度的有传播能力的核心火团。这一阶段的成败主要取决于火花的能量和持续时间，以及在火花电极间隙附近油气混合物的紊流度和油气比。第二阶段是该核心火团点燃点火器对应头部的主燃区，形成稳定火焰。这个阶段的成败主要取决于空气速度和燃料分布，也取决于火花塞的位置。第三阶段是着火头部向未燃头部的火焰传播。将所有未燃头部引燃，建立稳定的燃烧工况，即认为点火成功。航空发动机点火是一个难点，由于低压、低温、雾化差而导致不得不增加昂贵复杂且沉重的点火装置，对于直升机发动机来说， 其可靠性还需要大幅提升[3]。本文采用大涡模拟计算方法，对某型涡轴发动机的动态点火过程进行数值模拟研究。

2 计算模型及算法

燃烧室由14个头部以及环形火焰筒组成，由于整个全环燃烧室模拟起来计算工作量太大，故取单个燃烧室头部作为计算模型，图1为环形燃烧室的单头部结构示意图，轴向为Z轴正方向，截面Z=18为点火位置轴向截面。

3 计算结果与分析

本次计算采用大涡模拟对点火过程进行模拟，点火源采用高温热源，燃油采用流量递增式供给，该过程是一个非稳态的过程，点火时间从t=0ms开始，点火位置选在（0，193，18）。

3.1 油雾场分析

图2和图3分别为核心火团火焰向外传播失败与成功的油雾场与温度场，其中Z=18为点火轴向截面。由图可知，在t=43.7ms时，在涡团气流的作用下，火焰开始向点火源的右侧即X轴正向传播，但是由于右侧燃油浓度较低，并不能够维持火焰持续传播，导致火焰传出后慢慢耗散掉，说明此时从核心火团发展出来的火焰并没能持续将未燃区域点着。而时间推进到46.7ms时，火焰跟随气流与涡的运动被带向点火源左侧即x轴负方向，此时左侧的浓度足够高，能够维持火焰的持续燃烧，并且点燃区域能够向未燃的区域传播火焰，当下游的燃油浓度分布能够维持这一过程时，火焰能够传递至整个燃烧室，说明此时核心火团火焰成功传出，代表着点火成功。

3.2 三维火焰传播过程

3.2.1 三维火焰传播失败过程

可以看到点火过程中，由局部高温点燃的燃气随着各个无序涡的方向传播，图4为点火过程中的三维视图，图中温度面为800K等值面。如图所示，在43.7ms时，火焰跟随涡团运动向Z轴负向、X轴正向传播，但此时温度等值面范围很小，说明该时刻化学反应不强烈，火焰温度不高。而到了44.7ms时，等值面开始往点火位置回缩，并且出现了火焰面不连续的现象，中间有火焰断层，说明火焰向外传播时，在气流速度较大的区域，气流速度带走的热量比燃烧反应生成的热量要多，气流将火焰生成热量迅速带走，而向外传递的热量也未能将其他未燃区域点着，导致燃烧区温度慢慢降低。而随着点火源附近的燃油消耗，高温区域越来越小，等值面继续向点火位置回缩。到了45.7ms时，高温面进一步缩小。从43.7ms到45.7ms火焰范围可知，该段时间火焰传播失败，因为燃油浓度较低，燃烧速率较低，核心火团化学反应生热率小，而周围流动混气很快带走核心火团生成的热量，生成热量小于火团向外界的散热量，燃烧区域温度始终达不到爆炸反应温度。核心火团的高温燃气被气流带到下游，生成的热量在气流传播过程中被消耗，温度也越来越低，化学反应速率也越来越低，产生的热量越来越少，到一定程度时已经无法点燃新鲜混气，此时传播出来的火焰熄灭，导致点火失败。

3.2.2 三维火焰传播成功过程

在点火过程中，点火源在很多时段内会点燃附近混气，向外传播火焰，但是当外界条件不适合火焰传播时，火焰不能持续燃烧，则点火失败，当外界条件合适点火后，火焰顺利从点火位置传出，并能能够在回流区稳定，火焰持续燃烧最终点燃整个燃烧室，说明点火成功。

图5为46.7ms到49.7ms内三维火焰传播图，图中温度面为1600K温度等值面。由图可知，此时火焰是朝向Z正方向、X负方向传播，与43.7ms至46.7ms时火焰的传播规律完全不同，这也说明了点火过程中点火区域有许多无序的涡的生成与脱落，并且该区域的紊流度以及油气比能够使化学反应充分进行，所以高温区范围逐渐变大。当时间到达46.7ms时，经历了前段时间的化学反应能量积累后，火焰跟随涡团向X轴负方向传播，由点火源轴向截面浓度分布图可知，在43.7ms到46.7ms这段时间内，点火源附近浓度值并没有太大的改变，所以影响点火的主要因素是：在此时出现了一个能量强的涡团，将火焰从点火位置带出，并且该时刻新鲜混气不断的补充进来，保持火焰持续燃烧。到了48.7ms时，由火焰在回流区内持续稳定燃烧，火焰不断向外传播，高温区域范围继续扩大，本文认为在该时刻点火成功。

4 结语

在进口温度压力几乎不变的情况下，燃油分布以及来流紊流度是影响点火成功与否的重要因素，在局部高温点火过程中，会有火焰不断向外传出，当燃油浓度不够时，传出火焰温度不高且点火源附近燃油浓度不高，并不能将未燃区域点着；而在燃油浓度足够时，由于来流的涡团方向各异，当涡团将火焰带向燃油高浓度区域时，火焰能够持续燃烧，继续点燃未燃区域，而将火焰带去低浓度区域时，火焰难以维持，最终火焰温度被气流带走，导致点火失败。

参考文献

[1]Boileau M， Staffelbach G， Cuenot B，et al.LES of an ignition sequence in a gas turbine engine[J].Combustion and Flame，2008，154（1）：2-22.

[2]Marchione T，Ahmed S F，Mastorakos E.Ignition of turbulent swirling n-heptane spray flames using single and multiple sparks[J]. Combustion and Flame，2009，156（1）： 166-180.

[3]Jones W P， Tyliszczak A. Large eddy simulation of spark ignition in a gas turbine combustor[J].Flow，turbulence and combustion，2010，85（3-4）：711-734.