突扩先进驻涡燃烧室煤油喷雾燃烧数值模拟

摘要

先进驻涡燃烧室是美国通用公司提出的一种新概念的航空发动机燃烧室，采用了钝体结构形成凹腔，在凹腔内形成低速回流区为稳定点火源提供了条件并引燃高速主流实现稳定燃烧。该燃烧室具有火焰稳定独特、燃烧效率高、结构简单、污染物排放低等特点，近期受到广泛关注和研究。本文在此基础上，提出了突扩进口型先进驻涡燃烧室，并应用数值模拟软件FLUENT对其冷态流场和热态煤油喷雾燃烧进行了系统的研究。
　　冷态状况下，为确定实燃烧室现稳定燃烧的最佳前凸台长度，分别研究了不同前凸台长燃烧室的流场和总压损失系数；结果表明，前凸台长对燃烧室内的流场分布影响很大。随着L的增大，凹腔内的旋涡数目大小和涡核心都发生变化，然而前凸台长对燃烧室总压损失系数影响不大。分析了三种k??湍流模型对燃烧室流场的影响，得出Re alizable k??湍流模型更合理地预测了燃烧室内流场分布。分别研究了后钝体开口及其开口角度、带有导流片及其横向位置的燃烧室冷态流场，得出后钝体开口后凹腔内的旋涡向外偏移且与后钝体后回流区旋涡连接，开口角度对其影响不太明显；带有导流片的凹腔旋涡主要在导流片后形成且导流片横向位置对凹腔内的流场分布影响很大。
　　热态状况下，建立了燃烧室煤油喷雾燃烧物理模型，采用了合适的湍流模型、非预混燃烧模型、离散相模型、CO生成模型和详细的化学反应机理联合进行燃烧室煤油喷雾燃烧数值模拟。计算方法采用Simple算法，对流相采用二阶迎风格式，近壁区使用标准壁面函数。分析了前凸台长、进口空气温度、湍流模型的选择、主燃油喷嘴喷射速度、主副燃油喷嘴流量分配、副喷嘴纵向位置和导流片横向位置对燃烧性能的影响。结果表明，前凸台长L的最优值为30mm；进口温度对燃烧性能影响很大，提高进口气流的温度有利于煤油的雾化气化，然而燃烧效率降低，出口高温区域越来越大；realizable k??湍流模型和非预混燃烧模型（PDF）对燃烧室燃烧的模拟是适合的；后钝体开口角度最优值为15°；提高主燃油喷嘴的喷射速度有利于提高燃烧室的燃烧效率；凹腔内和后钝体后回流区的温度场以及出口温度均匀分布系数在不同燃油分配下相差明显，所以应该合理的分配主副喷嘴的燃油流量；副喷嘴纵向位置和导流片横向位置对燃烧室的温度场和污染物排放影响很大。通过对突扩进口型先进驻涡燃烧室煤油喷雾燃烧流动的数值模拟结果分析对比，说明了本文所建立的物理模型能过很好地模拟出该燃烧室的煤油喷雾燃烧性能，为下一步先进驻涡燃烧室的设计和改进提供参考。