旋流器结构特征参数对中心分级燃烧室温度场的影响

于建桥，王成军，里海洋，马 钰

(1.沈阳航空航天大学 航空发动机学院，沈阳 110136；2.辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)

1 引言

近年来，由于中心分级燃烧技术[1-2]可以解决航空发动机燃烧室在变工况下实现稳定燃烧的问题，从而使得对中心分级燃烧室的研究成为一个热点。而旋流器作为燃烧室头部的重要组成部分[3-4]，对喷入燃烧室的燃油具有加快雾化和掺混的作用，故带有值班级(又称预燃级)和主燃级的中心分级旋流器[5-6]成为国内外学者研究的重点，以实现燃油的高效燃烧和污染物的低排放，以及提高在高工况下燃烧室出口温度的均匀性[7-8]。

国内外学者就旋流器对燃烧室的影响开展了大量的研究。国外，Lazik 等[9]通过改变值班级与主燃级旋流器的叶片安装角和叶片数量等结构参数，在高温高压条件下进行了大工况试验和地面点火启动试验、贫油熄火试验等。Mehta 等[10]采用粒子图像测速仪(PIV)测量试验的方法，分别对装有两级旋流方向相同和两级旋流方向相反的双级旋流杯后的冷态流场进行了研究。Linck 等[11]利用PIV 技术与相位多普勒干涉技术(PDI)，对装有多级旋流器的燃烧室进行了测试试验，研究了旋流器叶片安装角对燃烧室性能的影响。国内，丁国玉等[12]通过对装有三级旋流器的中心分级燃烧室进行性能试验，研究了不同旋向组合对三级旋流燃烧室燃烧性能的影响。苗淼等[13]采用数值模拟方法研究了三级旋流器叶片安装角对双环预混旋流(TAPS)燃烧室性能的影响。付忠广等[14]研究了旋流器通道宽度对燃烧室速度场、温度场及污染物排放的影响。程明等[15]采用数值模拟与性能试验相结合的方法，研究了旋流杯中副旋流器的旋流数和相对进气量对燃烧室出口温度场分布和污染物NOx 排放量等燃烧性能的影响。

以上研究证明旋流器结构的确对燃烧室性能有一定的影响，但未针对旋流器结构参数变化对燃烧室内温度场的影响展开详细研究。为此，本文以中心分级燃烧室为研究对象，通过改变三级旋流器各级的结构参数，采用数值计算方法对燃烧室温度场进行数值模拟；对比分析了中心分级燃烧室内温度场的变化，得出了较为合适的值班级第一级、第二级旋流器以及主燃级旋流器的结构参数组合，为提高燃烧室的燃烧效率提供了理论依据。

2 研究对象及方法

2.1 几何模型构建

建立的中心分级燃烧室几何模型结构如图1 所示。为减少数值模拟时的计算量及计算时间，对燃烧室的机匣结构进行了适当简化，即未设计掺混孔和冷却孔。具体设计参数为：燃烧室头部直径为108.0 mm，头部长度为100.0 mm，燃烧室筒体直径为86.0 mm，筒体长度为200.0 mm，燃烧室尾部收敛段长度为40.0 mm，燃烧室出口直径为44.7 mm。

图1 中心分级燃烧室几何结构Fig.1 Geometric structure diagram of central-staged combustor

2.2 计算域网格划分

设计的旋流器为三级斜切式径向旋流器，其内部结构见图2。旋流器由值班级旋流器、主燃级旋流器、空气雾化喷嘴、文氏管和套筒组成。第一级与第二级旋流器为值班级旋流器，第三级旋流器为主燃级旋流器。各级旋流器空气流量分配为：第一级旋流器占8%，第二级旋流器占12%，主燃级旋流器占80%。值班级第一级与第二级旋流器的设计旋流数分别为0.4、0.6，主燃级旋流器的设计旋流数为0.8。根据流量分配情况及设计旋流数大小，对各级旋流器的结构及尺寸进行设计。

图2 旋流器内部结构图Fig.2 Internal structure diagram of swirler

采用结构化网格和非结构化网格组合的形式进行网格划分。对于结构复杂的旋流器计算域，采用非结构化网格划分；对于结构相对简单的燃烧室机匣计算域，采用结构化网格划分。这样不仅能提高燃烧室数值计算的效率，同时也能保证计算的精度。旋流器内部网格划分如图3 所示，中心分级燃烧室内部网格划分如图4 所示。

图3 旋流器内部网格Fig.3 Swirler internal mesh

图4 中心分级燃烧室内部网格Fig.4 Central-staged combustion chamber internal grid

2.3 计算模型及边界条件

由于燃烧室中燃气的雷诺数较高，属于强湍流流动，故选用Realizablek-ε湍流模型进行计算。中心分级燃烧室的边界条件为：燃烧室进口采用质量进口，出口采用压力出口；燃烧室进口燃气的质量流量为3 kg/s，温度为850 K；燃烧室出口燃气的压力为101 325 Pa，温度为850 K。热态数值模拟时燃气的湍流强度均为5%，进口水力直径为108.0 mm，出口水力直径为44.7 mm。水力直径定义如下[16]：

式中：Dh为水力直径；A为流通截面积；Pw为润湿周长，即过流断面上流体与固体壁面接触的周界线长度。

中心分级燃烧室的所有壁面均设置为无滑移绝热壁面，近壁区选择标准壁面函数进行处理，以满足中心分级燃烧室内近壁面流动的处理要求[17-18]。

3 研究方案

采用分别改变三级斜切式径向旋流器其中一级旋流器结构参数而保证其余两级旋流器结构参数，湍流模型的选择、边界条件的制定以及非结构化网格的划分方式不变的方法，制定了如表1 所示的旋流器结构参数方案。

表1 旋流器结构参数方案Table 1 Structural parameter scheme of swirler

根据研究内容的不同对方案A～J 进行分组。当研究值班级第一级旋流器结构对燃烧室燃烧性能的影响时，将方案A、B、C、D 分为一组进行分析；当研究值班级第二级旋流器结构对燃烧室燃烧性能的影响时，将方案A、E、F、G 分为一组进行分析；当研究主燃级旋流器旋流孔角度对燃烧室燃烧性能的影响时，将方案A、H、I、J 分为一组进行分析。

4 数值模拟与结果分析

4.1 值班级第一级旋流器对燃烧室温度场的影响

图5 为值班级第一级旋流器方案A、B、C、D中心分级燃烧室沿流程温度分布云图。可以发现，4 种方案的燃烧火焰长度基本一致，但方案D 的高温区域面积要比其他3 种方案的大。这说明值班级第一级旋流器斜切孔角度过大对燃烧室的温度分布产生了一定的影响。

图5 第一级旋流器对燃烧室沿流程温度分布影响的云图Fig.5 Cloud plot of the effect of the first stage swirler on the temperature distribution along the flow in the combustion chamber

图6 为方案A、B、C、D 沿中心分级燃烧室中心轴线(X)的温度分布曲线。可见，方案D 燃烧室内最高温度达到2 500 K，燃烧室出口温度也达到了1 700 K。方案A 燃烧室内最高温度虽然也接近2 500 K，但燃烧室出口的温度只有1 600 K。这是由于方案A 中燃烧室的回流作用在4 种方案中最强，其燃烧火焰比较稳定，燃烧反应也较为充分。而方案D 的回流作用最弱，使得主燃区的部分燃气燃烧不够充分，并在主燃区之后继续进行燃烧反应、释放热量，导致燃烧室出口温度偏高。

图6 第一级旋流器对燃烧室中心轴线温度分布影响的曲线图Fig.6 Plot of the effect of the first stage swirler on the temperature distribution along the center axis of the combustion chamber

图7 为方案A、B、C、D 在X=0.08 m，Y=0 时(Y为垂直于轴线的主燃级旋流器出口截面线，XOY即为旋流器出口截面。)的纵截面温度云图。X=0.08 m是值班级与主燃级相互作用的位置。可见，X=0.08 m时，4 种方案均形成了分布均匀的高温区，且剪切层较为明显。这说明值班级第一级旋流器的主要作用是促进燃油雾化，虽然值班级第一级旋流器在与主燃级旋流器相互作用时对燃烧室温度分布产生了一定的影响，但影响较小。

图7 X=0.08 m 处第一级旋流器对燃烧室纵截面温度影响的云图Fig.7 Cloud plot of the effect of the first stage swirler on the temperature of the longitudinal section of the combustion chamber at X=0.08 m

通过对值班级第一级旋流器4 种方案下沿流程温度分布云图、中心轴线温度分布曲线图和纵截面温度云图的对比与分析，可以得出，方案A 为4 种方案中的最佳方案。即当值班级第一级旋流器斜切孔角度为25°时，燃烧室的温度场分布较为理想。

4.2 值班级第二级旋流器对燃烧室温度场的影响

图8 为值班级第二级旋流器方案E、F、A、G中心分级燃烧室沿流程温度分布云图。可以发现，4 种方案的燃烧火焰长度基本一致，但方案A 燃烧室内高温区域面积要比其他3 种方案的小很多。这说明值班级第二级旋流器叶片安装角度对燃烧室的温度分布产生了一定的影响。

图8 第二级旋流器对燃烧室沿流程温度分布影响的云图Fig.8 Cloud plot of the effect of the second stage swirler on the temperature distribution along the flow in the combustion chamber

图9 为方案E、F、A、G 沿中心分级燃烧室轴线的温度分布曲线。可见，方案E 的最高温度为2 500 K，燃烧室出口温度为1 700 K。这是由于方案E 的回流作用较弱，使得主燃区的部分燃气燃烧不够充分，并在主燃区之后继续进行燃烧反应、释放热量，导致燃烧室出口温度偏高。方案G 燃烧室进口温度为1 500 K，而燃烧室出口温度为1 600 K，这是由于方案G 的回流作用偏大，使得高温区开始压缩所致。这说明值班级第二级旋流器叶片安装角度不宜过大。

图9 第二级旋流器对燃烧室中心轴线温度分布影响的曲线图Fig.9 Plot of the effect of the second stage swirler on the temperature distribution along the center axis of the combustion chamber

图10 为方案E、F、A、G 在X=0.08 m，Y=0时的纵截面温度云图。可见，在X=0.08 m 时，4 种方案均形成了分布均匀的高温区，且剪切层较为明显。这说明值班级第二级旋流器和第一级旋流器的主要作用相同，都是促进燃油雾化，虽然在与主燃级旋流器相互作用时对燃烧室温度分布产生了一定的影响，但是影响较小。

图10 X=0.08 m 处第二级旋流器对燃烧室纵截面温度影响的云图Fig.10 Cloud plot of the effect of the second stage swirler on the temperature of the longitudinal section of the combustion chamber at X=0.08 m

通过对值班级第二级旋流器4 种方案下沿流程温度分布云图、中心轴线温度分布曲线图和纵截面温度云图的对比与分析，可以得出，值班级第二级旋流器叶片安装角度在方案F 与方案A 之间较为合适。即当值班级第二级旋流器叶片安装角度在30°～45°时，燃烧室的温度场分布较为理想。

4.3 主燃级旋流器对燃烧室温度场的影响

图11 为主燃级旋流器方案H、I、A、J 中心分级燃烧室沿流程温度分布云图。可以发现，4 种方案中，方案H 的燃烧火焰长度最长，其高温区较其他3 种方案的靠后；而方案J 的火焰长度较短，其高温区较其他3 种方案的靠前。这说明主燃级旋流器旋流孔角度大小对燃烧室的温度分布产生了很大影响。

图11 主燃级旋流器对燃烧室沿流程温度分布影响的云图Fig.11 Cloud plot of the effect of the main combustion stage swirler on the temperature distribution along the flow in the combustion chamber

图12 为方案H、I、A、J 沿中心分级燃烧室轴线的温度分布曲线。可见，方案H 在X=0.13 m 处燃烧室内最高温度达到2 500 K，燃烧室出口温度为1 800 K。这是因为方案H 的回流作用弱，使得稳焰效果较差，高温区向后移动，火焰长度增加，主燃区的部分燃气燃烧不够充分，在主燃区之后继续进行燃烧反应、释放热量，导致燃烧室出口温度偏高。方案J 在X=0.06 m 处达到最高温度2 400 K，燃烧室出口温度为1 500 K。这是因为方案J 的回流作用大，使得高温区开始压缩，火焰长度变短，但这种情况极易造成燃烧室损坏，这也充分表明主燃级旋流器旋流孔角度不宜过大。

图12 主燃级旋流器对燃烧室中心轴线温度分布影响的曲线图Fig.12 Plot of the effect of the main combustion stage swirler on the temperature distribution in the center axis of the combustion chamber

图13 为方案H、I、A、J 在X=0.08 m，Y=0 时的纵截面温度云图。由图可知，在X=0.08 m 时，方案I、A 均形成了分布均匀的高温区且剪切层较为明显，方案H 的高温区面积较小，方案J 的高温区由于旋流强度过大而开始偏离中心区域。由于主燃级旋流器在燃烧室中起到的作用是控制燃烧室头部的流场分布，流场分布的改变影响了燃烧反应的进行，因此燃烧室的温度场也随之改变。可见，主燃级旋流器结构对燃烧室温度场具有较大的影响。

图13 X=0.08 m 处主燃级旋流器对燃烧室纵截面温度影响的云图Fig.13 Cloud plot of the effect of the main combustion stage swirler on the temperature of the longitudinal section of the combustion chamber at X=0.08 m

通过对主燃级旋流器4 种方案沿流程温度分布云图、中心轴线温度分布曲线图和纵截面温度云图的对比与分析，可以得出，主燃级旋流器旋流孔角度在方案I 与方案A 之间较为合适。即当主燃级旋流器旋流孔角度在45°～60°时，燃烧室的温度场分布较为理想。

5 结论

以中心分级燃烧室为研究对象，分别对值班级第一级、值班级第二级和主燃级旋流器的各角度大小进行研究，通过改变各级旋流器的结构参数，探究了旋流器结构对中心分级燃烧室温度场的影响，主要得出以下结论：

(1) 当值班级第一级旋流器的斜切孔角度为25°时，燃烧室内回流作用最强，且燃烧火焰也比较稳定，中心分级燃烧室内温度场分布较为理想。

(2) 当值班级第二级旋流器的叶片安装角度在30°～45°时，燃烧室内主燃区燃气燃烧较充分，燃烧室出口温度较低，中心分级燃烧室内温度场分布较好。

(3) 主燃级旋流器结构参数对中心分级燃烧室温度场分布的影响要远大于值班级旋流器。随着主燃级燃级旋流器旋流孔角度的增加，中心回流区的面积逐渐增大，而中心回流区面积过大将使燃烧室的高温区集中，造成燃烧室损坏。主燃级旋流器旋流孔角度在45°～60°时，中心分级燃烧室的温度场分布较为理想。