驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析.pdf

收稿日期：2020-08-05基金项目：国家自然科学基金（51506079）资助作者简介：徐啸（1993），男，在读硕士研究生。引用格式：徐啸，潘伟宸，吴维维.驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析J.航空发动机，2023，49（4）：115-121.XU Xiao,PAN Weichen,WU Weiwei.Numerical analysis of trapped vortex combustor performance under front bluff body fuel injectionJ.Aeroengine，2023，49（4）：115-121.第 49 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.49 No.4Aug.2023航空发动机Aeroengine驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析徐啸，潘伟宸，吴维维（江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏镇江 212000）摘要：为研究驻涡燃烧室在前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能，采用3维数值仿真模拟方法，对驻涡燃烧室前钝体燃料喷射状况下的燃烧效率及燃烧室性能与无前钝体燃料喷射状况下的燃烧性能进行了对比分析，并对驻涡燃烧室的冷流以及燃烧状态下的燃烧室性能进行了系统研究。燃烧室温度分布表明：前钝体顶部燃料喷射在0.20.7的喷射系数范围内，缩短了燃烧室火焰长度，提高了燃烧室在相同轴向长度下的燃烧效率，使燃烧室更加紧凑；驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射孔的孔径在一定范围内的变化对燃烧室的燃烧效率、出口温度分布系数以及总压损失影响较小。关键词：驻涡燃烧室；前钝体燃料喷射；燃烧效率；出口温度分布；数值分析；航空发动机中图分类号：V231.3文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.04.014Numerical Analysis of Trapped Vortex Combustor Performance Under Front Bluff Body Fuel InjectionXU Xiao PAN Wei-chen WU Wei-wei（School of energy and power engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212000，China）Abstract：In order to study the combustion performance of a trapped vortex combustor(TVC)under the condition of front bluff body fuel injection,comparative analyses were conducted on the combustion efficiency and the combustion performance of the TVC under conditions with and without front bluff body fuel injection using three-dimensional numerical simulation.The TVC performances under non-reacting and reacting flow were systematically examined.The results of combustor temperature distribution show that the fuel injection fromthe top of the front bluff body with an injection coefficient in the range of 0.2-0.7 leads to a decreased flame length in the combustion chamber,improves the combustion efficiency at the same axial length of the combustion chamber and makes combustion chamber more compact.The variation of the diameter of the fuel injection orifice at the top of the front bluff body of the TVC within a certain range has little influence on combustion efficiency,outlet temperature distribution coefficient,and total pressure loss of the combustion chamber.Key words：Trapped Vortex Combustor;front bluff body fuel injection;combustion efficiency;outlet temperature distribution;numerical analysis;aeroengine0引言20世纪90年代，为了使燃烧室达到更高效的燃烧性能以及更低的排放，GE公司和美国空军研究室联合提出了驻涡燃烧室概念1。驻涡燃烧室不同于传统旋流燃烧室，是一种结构简单、紧凑型的新型燃烧室，它可利用凹腔驻涡回流低速区稳定火焰。在高速主流条件下，凹腔内的驻涡回流区受到主流的影响较小，在凹腔内合理注入燃料与空气，可提高凹腔内的漩涡强度以及优化燃烧室内的燃烧当量比分布。驻涡燃烧作为一种高效紧凑低污染的新型燃烧组织方式，具有结构简单、贫富油极限宽、高空性能好、高燃烧效率等优点2，在航空、发电以及清洁能源等各领域应用广泛。国内外学者针对驻涡燃烧室开展了广泛的数值模拟和试验研究。Hsu等3-4以丙烷为燃料设计了第1代驻涡燃烧室模型，研究了驻涡燃烧室的组织结构及其燃烧性能，表明其具有燃烧效率高、总压损失低等优点；Katta等5-6利用CFD方法研究了驻涡腔内的漩涡结构特点；Chen等7-9以文献3-4提出的驻涡燃烧室航空发动机第 49 卷结构为基础，设计了微型驻涡冲压燃烧室，研究了其在亚声速及旋流在进口条件下的性能并分析了在含有导流板结构及钝体上游燃料喷射条件下的燃烧性能；何小民等2,10-11针对凹腔驻涡燃烧室的燃烧、点火、熄火、油气参数以及驻涡腔内的流动特性进行了大量试验与数值模拟研究，表明在高速主流条件下驻涡燃烧室具有良好的点火、熄火性能及高燃烧稳定性；曾卓雄12-13等研究了旋流及燃气等参数在进口条件下对驻涡燃烧室的燃烧效率、NOx排放以及总压损失的影响；樊未军等14对驻涡燃烧室的凹腔双涡结构流场进行了研究，发现驻涡腔双涡结构对燃烧室出口温度场分布、NOx低排放以及燃料的分级燃烧起重要作用。但以上研究并没有考虑到前钝体燃料喷射比例对驻涡燃烧室燃烧性能的影响。因此本文基于驻涡燃烧室模型，针对驻涡燃烧室前钝体顶部与驻涡凹腔内的燃料喷射比例对燃烧性能的影响进行了数值模拟分析。1数值模型与数值模拟方法1.1驻涡燃烧室模型将文献3-4试验所使用的驻涡燃烧室计算模型作为本文的研究对象，其结构模型如图1所示。从图中可见，驻涡燃烧室计算模型全长L=330 mm；前钝体宽度为 30 mm；直径 D1=70 mm；后钝体宽度为 18 mm；直径D2=50.8 mm；前钝体与后钝体由直径D3=12.7 mm的空心圆管连接。为了加强驻涡腔内的漩涡及燃料掺混，在后钝体上设计24个直径为2.29 mm的空气喷射孔，以及8个直径为1.75 mm的燃料喷射孔。本文以甲烷为燃料，在燃烧室模型轴向距离z=15 mm处增加了前钝体顶部燃料喷射孔，分别采用1.75、2、2.4 mm这3种喷射孔径及不同的前钝体喷射系数进行了数值模拟分析，燃料总当量比为0.32。前钝体喷射无量纲系数定义为=m1m1+m2（1）式中：m1为由前钝体喷射孔进入燃烧室的燃料质量；m2为由驻涡腔喷射孔进入燃烧室的燃料质量。驻涡燃烧室气体进口参数见表1。1.2计算方法和边界条件本文数值模拟计算采用不可压缩 N-S 方程和ANSYS FLUENT 计算软件。文献15使用 3 种 k-湍流模型进行计算模拟，其中RNG k-湍流模型的模拟结果最优，因此本文采用了RNG k-湍流模型。压力速度耦合采用SIMPLE算法，近壁面利用了增强型壁面函数，保持近壁面处Y+1）向贫燃料状态（当量比1）转变。当前钝体喷射系数增大时，驻涡腔内的燃料喷射减少，驻涡腔内的当量比减小，前钝体后部以及驻涡腔漩涡上方剪切层处的当量比增大。当=0时，驻涡腔底部存在当量比3的富燃料区域，随着喷射系数的增大，直接喷射进入驻涡腔内的燃料减少，驻涡腔底部的富燃料区域当量比减小。同时随着前钝体顶部的燃料喷射，使主流空气在驻涡腔上部剪切层区域和漩涡顶部区域提前掺混了部分燃料，与驻涡腔中心漩涡在燃烧室内2处产生了燃料混合区域，使燃料混合效率提高，驻涡腔内总体燃料当量比分布更加合理。2.2前钝体燃料喷射对燃烧室温度分布的影响驻涡燃烧室在前钝体喷射孔径 d=1.75 mm 时 3种前钝体喷射系数下的温度分布如图6所示。从图中可见，当=0时，在驻涡燃烧室后钝体之后的回流区存在高温分布区，约为2500 K。根据第 2.1 节驻涡燃烧室当量比分析，燃料全部喷入驻涡腔，在驻涡腔回流区域处于富燃状态，尤其在驻涡腔的漩涡中心区域。驻涡燃烧室的反应流流线如图7所示。从图中可见，当燃料与空气及驻涡腔内的气流漩涡掺混后，进入后钝体之后的回流主燃区，一部分燃料在驻涡腔内燃烧，剩余部分在后钝体之后的回流区燃烧。在=0.2的工况下，少部分燃料通过前钝体喷射孔进入燃烧室，直接与主流空气掺混，大部分燃料直接喷射进入驻涡腔与主流形成的漩涡掺混燃烧。当前钝体燃料喷射时，驻涡腔内的当量比减小，主流空气与部分燃料混合燃烧。在=0.5的工况时，后钝体之后的高温区减少，燃烧温度场分布梯度减小。根据第2.1节的驻涡腔冷流当量比分析，发现在前钝体喷射燃料的工况下，驻涡腔内的当量比分布更加均匀，更加接近于1，因此在燃烧过程中，驻涡腔内的燃烧更加充分，温度分布更加均匀。随着前钝体喷射系数的增加，后钝体回流燃烧区的火焰长度减短，在=0.7的工况下，温度下降至大约为2100 K，表明前钝体喷图4非稳态冷流流场当量比以及流线分布Equivalentratio0 0.40.81.21.62.02.42.8图5驻涡腔冷流当量比分布图6燃烧室温度分布（a）=0（b）=0.2（c）=0.5（d）=0.737111519235913172125T/102K图7驻涡燃烧室反应流流场流线分布Equivalentratio0 0.23.00.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8r/m0.040.030.020.010.080.060.040.020（a）=0.2z/m（b）=0.3r/m0.040.030.020.010.080.060.040.020z/m0.81.00.60.203.02.41.81.61.21.21.21.01.03.03.00.82.42.83.02.21.01.81.21.01.01.01.01.62.83.01.21.40.80.80.80.8r/m0.040.030.020.010.080.060.040.020（c）=0.4z/m（d）=0.5r/m0.040.030.020.010.080.060.040.020z/m03.02.23.00.82.83.01.21.21.2 1.20.80.81.42.40.60.40.80.80.82.62.0 3.01.41.41.21.01.01.21.8r/m0.040.030.020.010.080.060.040.020（e）=0.6z/m（f）=0.7r/m0.040.030.020.010.080.060.040.020z/m03.02.03.00.82.43.01.01.41.21.00.80.61.42.00.60.40.80.82.20.63.01.41.01.61.21.21.01.01.21.61.01.02.2118徐啸等：驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析第 4 期射系数在一定范围内，燃料与空气在驻涡腔内及驻涡腔上部剪切层内能快速混合并燃烧。与无前钝体燃料喷射时的低速回流对比主燃区温度降低，驻涡腔内的最高温度升高，燃烧室的火焰长度减短，对于设计更紧凑、体积更小的燃烧室更有利。2.3前钝体燃料喷射对燃烧室总压损失的影响燃烧室的压力损失主要有2个原因：（1）压力阻力、表面摩擦及湍流损失；（2）基本的压力损失和燃烧放热损失。3种前钝体喷射孔径下在不同前钝体喷射系数的驻涡燃烧室的总压损失如图8所示。总压损失的计算公式为=P1-P2P1（11）式中：P1为燃烧室入口总压；P2为燃烧室出口总压。驻涡燃烧室流场由于湍流微团与驻涡腔漩涡的作用，使燃料与空气掺混更充分，但同时也导致了更大的总压损失。因此主流空气占总压损失的主要部分，前钝体顶部的燃料喷射对总压损失影响较小。前钝体上游的燃料喷射进入主流并与主流气体进行掺混，导致了燃烧室气流的动压损失，因此导致前钝体喷射情况下的燃烧室总压损失大于=0时的总压损失。从图中可见，前钝体顶部燃料喷射工况下的总压损失波动基本较小，均大于无前钝体燃料喷射时的总压损失；当前钝体燃料喷射系数=0.40.6时，驻涡燃烧室的总压损失最大。根据图6分析，在d=1.75 mm、前钝体喷射系数=0.5时，燃烧室的最高温度区域集中在燃烧室驻涡腔和后钝体上部的剪切层区域，约为2500 K，燃烧产生热损失相较于其他工况时更大。驻涡腔和后钝体上部剪切层区域的流动复杂，包括存在漩涡及剪切层，流体的动压损失及传质传热相较于其他区域更大，各种影响导致在不同前钝体喷射孔径在不同喷射系数条件下燃烧室总压损失的增加。2.4前钝体燃料喷射对出口温度分布的影响燃烧室出口温度分布是衡量燃烧性能的1个重要指标。本文分别使用出口温度分布系数Ot和出口径向温度分布系数Rt来衡量燃烧室的出口温度分布质量。Ot=T4max-T4aveT4ave-T3ave（12）Rt=T4rmax-T4aveT4ave-T3ave（13）式中：T4max为燃烧室出口的最高温度；T4ave为燃烧室出口的平均温度；T3ave为燃烧室进口平均温度；T4rmax为出口同一半径上最高平均总温。燃烧室出口温度分布如图9所示。从图中可见，驻涡燃烧室出口温度呈沿径向递减分布，产生的原因是驻涡燃烧室的结构及流场流动特点，进而导致出口Ot与Rt接近。驻涡燃烧室在不同前钝体喷射孔径下的Ot与Rt分布如图10所示。从图中可见，随着前钝体喷射系数的增加，燃烧室出口Ot与Rt均呈减小趋势。Ot和Rt的减小表明燃烧室出口温度分布更加均匀，质量更高。驻涡燃烧室在不同前钝体喷射孔径下的出口最高温度和平均温度分布如图11所示。从图中可见随着Ot与Rt的减小，主要是燃烧室出口最高温度降低，而燃烧室出口平均温度变化不大，波动幅度很小。当存在前钝体喷射时，随着前钝体喷射系数的增大，低速回流区靠近燃烧室出口的大部分范围内的温度为15001700 K，在不同的前钝体喷射系数下变化不大，因此燃烧室出口平均温度变化幅度较小（图6）。同时，在3种不同前钝体喷射孔径下出口温度分布Ot与图8燃烧室总压损失图9燃烧室出口温度分布T/K100010751150122513001375145015251600（a）=0（b）=0.4、d=1.75 mm119航空发动机第 49 卷Rt的变化趋势比较一致，当前钝体喷射系数相同时，而前钝体喷射孔径不同的Ot与Rt变化不大，表明在一定的前钝体喷射孔径范围内，喷射孔径对燃烧室出口温度Ot与Rt的影响较小。2.5.1前钝体燃料喷射对燃烧效率的影响燃烧室的燃烧效率表现了燃烧室的总体化学反应以及燃料燃烧性能。=1-Yco2u dAmco2（14）式中：mco2为燃料完全燃烧时产生的CO2质量；A为测量处截面积；Yco2为CO2的质量分数；u 为平均速度；为平均密度。当前钝体上游燃料喷射孔径d=1.75 mm时，驻涡燃烧室轴向燃烧效率曲线如图 12 所示。从图中可见，当无量纲燃烧室轴向距离 z/L=0.3时，所有存在前钝体燃烧喷射的工况下的燃烧效率均高于无前钝体燃料喷射基准工况下的燃烧效率。当存在驻涡腔前钝体喷射时，其中一部分燃烧预先喷射进了空气主流，并且与主流空气掺混。根据第2.1节中的当量比云图分析，存在驻涡腔前钝体喷射时，驻涡腔内的当量比分布大部分更接近于1，使燃料与空气混合更加充分，有利于提高燃烧效率。无前钝体顶部燃料喷射时，燃料全部喷射到驻涡腔内，并没有燃料预先与主流空气掺混，一部分燃料在驻涡腔内掺混燃烧，剩余燃料在后钝体后部回流区燃烧，驻涡腔内大部分燃烧状态处于富燃状态，燃料不能充分燃烧，不利于提高燃烧效率。当z/L=0.3时，前钝体燃料喷射的工况下的燃烧室燃烧效率均达到了90%，相较于无前钝体顶部燃料喷射时，z/L=0.35处燃烧效率达到90%的有一定提高。同时无量纲轴向距离z/L在0.250.35范围内燃烧效率高出大约5%，使达到90%的燃烧效率的燃烧室轴向长度减短。因此对于缩短燃烧室长度，进一步优化前钝体顶部燃料喷射方案很有意义。2.5.2前钝体燃料喷射孔径对燃烧效率的影响根据第2.5.1节的分析，本文研究的驻涡燃烧室在前钝体喷射条件下，燃烧室的无量纲轴向长度z/L=0.3时燃烧效率已经达到了90%。燃烧室无量纲轴向距离z/L在00.5时，3种前钝体顶部燃料喷射孔径下的燃烧效率如图13所示。从图中可见，由于 d=1.75、2 和2.4 mm这3种前钝体喷射孔径下的燃烧效率都比较接近，表明孔径对燃烧效（a）不同喷射孔径下燃烧室出口温度分布系数（b）不同喷射孔径下燃烧室出口径向温度分布系数图10不同喷射孔径下燃烧室出口温度分布系数（a）燃烧室出口平均温度（b）燃烧室出口最高温度图11燃烧室出口平均温度和最高温度分布图12燃烧室轴向燃烧效率图133种前钝体喷射孔径下的燃烧效率燃烧效率1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1z/L0.50.40.30.20.10（a）d=1.75 mmd=1.75 mm=0.2=0.3=0.4=0.5=0.6=0.7燃烧效率1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1z/L0.50.40.30.20.10d=2.0 mm=0.2=0.3=0.4=0.5=0.6=0.7燃烧效率1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1z/L0.50.40.30.20.10d=2.4 mm=0.2=0.3=0.4=0.5=0.6=0.7（b）d=2.0 mm（c）d=2.4 mm120徐啸等：驻涡燃烧室前钝体燃料喷射性能数值分析第 4 期率的影响较小，并且在z/L=0.3时均大于无前钝体顶部燃料喷射工况下的驻涡燃烧室燃烧效率。前钝体喷射系数=0.4时，3种前钝体喷射孔径的燃烧室 CO2质量分布如图14所示。从图中可见，3 种喷射孔径下的CO2质量分布比较接近，不同的前钝体燃料喷射孔径对燃烧产物 CO2在燃烧室内的质量分布影响 较 小，本 文 根 据 式（14）通过燃烧室CO2生成量来计算燃烧效率，表明3种喷射孔径下的燃烧室的燃烧效率接近。同时前钝体顶部喷射的燃料动量相对于燃烧室主流空气的动量较小，不同喷射孔径下的燃料喷射在相同前钝体喷射系数时对主流与燃料的掺混以及动量传递影响较小。由于主流进气在驻涡腔内形成的漩涡对于燃料与空气掺混起主要作用，因此前钝体喷射孔径在一定范围内的变化对于驻涡燃烧室总体燃烧效率影响较小。3结论（1）驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射可以提高燃烧室整体燃烧效率以及相同轴向距离下的燃烧效率，最佳前钝体喷射系数为0.4。（2）驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射以及前钝体喷射系数对于燃烧室在燃烧时的总压损失影响较小，与无前钝体燃料喷射的工况下的总压损失比较接近。（3）驻涡燃烧室前钝体顶部燃料喷射相比无前钝体顶部燃料喷射，其燃烧室出口的Ot与Rt随前钝体喷射系数的增大而减小，出口温度分布质量提高，有利于燃烧室下游的叶轮机械使用寿命的提升。（4）驻涡燃烧室前钝体顶部的燃料喷射孔径在一定范围内的改变，对于燃烧室的燃烧效率、出口温度分布及总压损失影响较小。参考文献：1 Burrus D L，Johnsonn A W，Roquemore W M，et al.Performanceassessment of a prototype trapped vortex combustor concept for 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