主燃级旋流数对中心分级燃烧室流场的影响

李美烨，程 明，林宏军，常 峰

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

在燃烧室中，流场特性是体现燃烧组织方式的1个重要方面，同时对燃烧性能造成直接影响[1-2]。燃烧室中回流区过长会使燃烧区后移，火焰外伸，出口温度场变差，造成涡轮烧蚀，回流区径向尺寸过大，会使高温燃烧区靠近壁面，破坏火焰筒的气膜冷却，严重时烧坏火焰筒壁面。现代燃烧室中的旋流器是形成流场的关键部件，其结构设计对于得到稳定、尺寸合适的回流区起到重要的控制作用[3-5]。国内外学者针对旋流器后的流场特性开展大量的数值模拟及试验研究。Thundi等[6]运用Fluent研究不同旋流器叶片角度对燃烧室流场结构的影响，与试验结果比较，表明标准k-ε模型适用于弱旋流，而雷诺应力模型对强旋流更为适用；Pandu[7]试验测量单级旋流器突扩矩形燃烧室内流场，表明通过减小旋流器的气流压降，使旋流器下游回流区尺寸相应减小；刘殿春等[8]研究发现外旋流器是决定SACS燃烧室气流结构的关键因素。中心分级燃烧组织方式作为1种径向分区分级组织概念，在高温升燃烧室上被广泛采用[9-10]。其设计思路是通过火焰筒头部2级旋流器在径向形成2个燃烧区，预燃级气流在中心形成预燃级回流区，主燃级气流在外围形成主燃烧区。预燃级回流区径向尺寸、主燃区与预燃区的相互干涉以及整个燃烧区的长度直接影响分级分区燃烧组织[11-13]。

本文以某中心分级燃烧室的头部旋流器为研究对象，运用数值模拟的方法分析中心分级燃烧室的流场特性及主燃级旋流器旋流数对中心回流区的影响。

1 研究对象

某中心分级燃烧室头部结构（如图1所示）由预燃级和主燃级组成。预燃级在内，包括2级旋流器与中心离心雾化喷嘴，2级旋流器形成中心回流区来稳定火焰，离心雾化喷嘴用于保证小状态下良好的雾化性能；主燃级在外，包括主燃级旋流器与直射式空气雾化喷嘴[14-15]，主燃级旋流器采用旋流与非旋流组合形式来控制主燃级旋流数，形成主燃烧区，空气雾化喷嘴用于保证大状态下具有良好的燃烧性能。

为了研究主燃级旋流数对中心分级流场的影响，在基准方案1（旋流和非旋流空气流量比例2∶1）的基础上，保证主燃级空气流量基本不变，将主燃级旋流与非旋流流量比例调节到1∶1，形成方案2。

图1 中心分级旋流器结构

2 数值模拟

2.1 几何模型和网格划分

在实际物理模型的基础上构建简化的几何模型，如图2所示。整个计算域由集气筒、旋流器和火焰筒排气段3部分组成，计算过程不考虑燃烧室的实际形状和冷却孔结构分布。由圆筒形集气筒将空气引入中心分级头部，气体在旋流器出口产生一定的气动转角后，进入与集气筒相同直径的圆筒形火焰筒，最后由倒角为45°的收敛段排出。

图2 计算模型

采用ICEM软件对计算模型进行网格划分，网格为非结构四面体网格，网格数目为1053万，节点数目为182万，网格如图3所示。

2.2 湍流模型

采用Fluent进行流场特性数值模拟，在计算模型的控制方程中，湍流模型采用Realizable k-ε[16]模型，壁面处理采用标准壁面函数，采用SIMPLE算法进行压力-速度耦合计算，求解器采用隐式分离求解器，离散格式采用2阶迎风精度。

图3 计算模型网格

2.3 边界条件

进口条件：压力进口，压力为3400 Pa，温度为300 K。出口条件：压力出口，压力为0 Pa（背压设为大气压101325 Pa），温度为300 K。

空气：进出口马赫数小于0.3，采用不可压理想气体。

3 结果分析

3.1 基准方案头部流场结果分析

过旋流器中心线截面基准方案旋流器下游的轴向速度Vx矢量如图4所示。坐标原点设置在旋流器进口平面中心，x轴设在旋流器进、出口的中心线上，其中横、纵坐标分别为沿气流的轴向和径向距离与圆筒型火焰筒直径的比值。从图中可见，基准模型下游整个流场沿火焰筒中心轴线y=0均匀对称，中心形成稳定的低速回流区。气体通过中心的2级旋流器形成2股同轴的旋转射流，在流场形成明显的径向分区，即直流区和回流区。预燃级在中心形成低速回流区，主燃级由于采用弱旋，直流流出旋流器出口，受预燃级回流区的影响，在流场下游与预燃级有部分气流掺混，参与中心回流区的形成。

中心截面基准模型轴向速度对比如图5所示，图中对基准旋流器下游部分流场的PIV试验测量与数值模拟结果进行定性分析。PIV试验状态与数值模拟保持一致，均在常压常温下进行。计算结果与试验结果的发展趋势基本一致，射流形态对称，回流区涡心位于过旋流器的中心线上，说明该数值模拟采用的方法基本可靠。由于单头部燃烧室的计算模型与试验件结构不同，造成数值模拟与试验结果的差异，这里不作进一步讨论。

图4 中心截面基准模型速度矢量

图5 中心截面基准模型轴向速度对比

3.2 主燃级旋流数的影响

3.2.1 回流区特征

中心截面2种方案的流线如图6所示。主燃级在2种方案中都形成了稳定的回流区，回流中心有2个对称的由气体内外压差产生的涡，由于主燃级方案1主燃区区域径向尺寸比方案2的小，受预燃级回流区影响较大，说明旋流数的减少会影响主燃烧区的径向分布，使径向分区不明显。

图6 中心截面2种方案流线对比

通过轴向零速度画出的2种方案的回流区边界如图7所示。2种方案在轴向上的预燃级回流区宽度随x/D的增大均先增大后减小。在径向上方案1、2的回流区最大径向宽度分别位于x/D=0.84、0.96处，方案2较方案1最大径向宽度位置后移，方案1的回流区最大径向宽度略大。方案1的预燃级回流区中心涡较大，偏向火焰筒壁面，方案2的预燃级回流区中心涡较小，偏向火焰筒中心。随着主燃级旋流数的减少，主燃级切向速度减小，轴向速度分量增大，对回流区有压制作用，使得回流区位置后移，径向尺寸增加，涡心向火焰筒中心靠拢，较长的预燃级回流区会给燃烧室的出口温度场调节带来困难。说明减少主燃级旋流数对预燃级回流区尺寸和位置均造成一定影响。

3.2.2 各截面速度分布

为了分析主燃级旋流数对旋流器下游流场变化的影响，分别取 4 个特征截面 x/D=0.24、0.42、0.61、0.79，观察其轴向速度沿径向的分布趋势，如图8所示。

图7 中心截面2种方案回流区对比

在x/D=0.24截面，沿径向分别存在2个顺流区和3个逆流区，其中3个逆流区分别为预燃级形成的中心回流区、预燃级与主燃级出口形成的唇口回流区和火焰筒与主燃级出口形成的角回流区，顺流区2个峰值为主燃级与预燃级出口下游轴向速度。2种方案的速度分布基本相同，主燃级旋流数的变化对旋流器下游的唇口回流区和角回流区气流的轴向速度没有明显影响。

在x/D=0.42截面，轴向速度沿径向先增大至峰值后减小，2个速度峰值逐渐合为一处，此时主燃级部分气流与预燃级掺混。方案2的峰值位置更靠近中心处，回流区的半径基本一致。

在x/D=0.61、0.79截面，方案1、2的流场分布趋势基本相同。但由于方案2主燃级旋流数减少，回流区涡心后移，其整体速度分布向中心靠近，轴向速度峰值和回流速度峰值均增大，回流区径向半径减小。在x/D=0.79处，方案1的回流区已趋向于结束。对比截面A、D，方案2的回流速度衰减得更缓慢。

旋流器中心线上轴向速度沿x轴正向的分布趋势如图9所示。在旋流器出口到x/D=0.5的位置，中心线上轴向速度没有明显变化。在x/D＞0.5的位置，2种方案的轴向速度变化趋势相同，受主燃级轴向速度增大的影响，方案2的回流区轴向速度明显较方案1的增长缓慢。

图9 旋流器中心线轴向速度分布

4 结论

本文通过数值模拟的方法分析了中心分级流场特性及主燃级旋流数对中心回流区影响，得到以下结论。

（1）2种头部结构均在下游形成径向分区，预燃级气流在中心线上形成低速回流区，受预燃级回流区影响，主燃级部分旋流气体与预燃级掺混，影响中心回流区的形成，主燃级未形成单独的回流区。

（2）主燃级旋流数的变化对头部流场分布有明显影响。随着主燃级旋流数的减少，主燃级气流切向速度减小，主燃级径向尺寸增加，径向分区明显；预燃级回流区位置后移，涡心向火焰筒中心靠拢。