先进旋涡燃烧室燃烧特性及场协同分析

摘要

为满足现代燃气轮机高温升、低污染的性能要求，美国Ramgen公司提出了先进旋涡燃烧室（Advanced Vortex Combustor，AVC）概念，依靠凹腔低速回流区提供的点火源来引燃燃料与空气混合物从而实现稳定燃烧。由于其综合性能明显优于常规旋流器燃烧室而得到国内外广泛关注，是一种有发展潜力和应用前景的新概念燃烧室，是未来军用航空发动机高温升燃烧室的设计方案之一，因此对AVC开展深入的研究具有重要的理论和实践意义。
　　本论文对后钝体开口 AVC的湍流流动以及燃烧特性进行了数值研究，并用场协同原理对燃烧室的流动和传热性能进行了综合评价。
　　对不同工况下后钝体开口 AVC的燃烧性能进行了数值模拟，结果表明，后钝体开口 AVC在各气动参数下都能实现稳定燃烧。随着来流速度的增大，总压损失增大，燃烧效率减小，凹腔内高温分布区域增大且分布更加均匀。随着来流温度的提高，总压损失先减小后保持不变，燃烧效率增大。随着壁面温度的提高，凹腔内温度升高且分布更加均匀，总压损失增大，燃烧效率减小。随着燃气当量比的增大，总压损失先增大后减小，燃烧效率减小。
　　为增强燃气掺混效果，提高燃烧性能，将涡流发生器燃料射流原理应用于后钝体开口AVC，并对不同射流参数（射流前倾角α、侧倾角β、射流孔径D及射流比 R）时的燃烧流场进行了数值研究。结果表明，基于涡流发生器燃料射流原理的AVC性能优于传统射流AVC。增大α及β，可以提高燃气掺混率，增大凹腔中心湍流度，并使更多的热能转化为燃烧室出口动能，但是总压损失明显增大。增大侧倾角β可使凹腔内高温分布更均匀。随着射流孔径D及射流比R的增大，燃烧室整体温度分布先增大后减小。当α=60°，β=60°时燃烧室能够在贫燃条件下实现高温、低压降、低污染的稳定燃烧。
　　为了在不依赖凹腔射流的情况下实现凹腔双旋涡结构，在后钝体开口 AVC前钝体两侧引入两个导流片，对导流片不同结构参数下燃烧室湍流流动及燃烧性能进行了数值模拟。结果表明，带导流片的AVC性能表现出明显的优越性，能够在不依赖凹腔射流的情况下形成理想的双旋涡结构，有利于增强凹腔稳焰及燃气掺混，大幅度提高燃烧效率，改善出口温度分布，降低NO排放。导流片结构参数对燃烧室性能影响呈现出一定的规律。当导流片伸入凹腔的长度与前钝体高度之比（a/B）为0.2，导流片到前钝体上端面的距离与燃烧室进气通道高度之比（b/H）为0.4，导流片到前钝体后端面的距离与凹腔长度之比（c/L）为0.1~0.2时，燃烧室在贫燃条件下可以实现低压降、低污染的稳定燃烧，而且出口温度分布均匀。
　　基于场协同原理，探讨了先进旋涡燃烧室流动传热特性，对AVC的速度场、温度场及其场协同角分布进行了数值模拟。结果表明，协同角较小的区域主要分布在后钝体后侧、凹腔内部以及进气通道横向中心截面上。旋涡区可以强化换热。对于速度场与温度场，燃烧室中心截面的场协同性能最好，且体平均协同角大于面平均协同角。随着来流速度及来流温度的增大，场平均协同角呈递减趋势；随着壁温的提高，场平均协同角增大；当量比小于1.0时，场平均协同角随着当量比的增大而增大，而达到1.0之后变化不明显。
　　通过对速度场、温度场、压力场进行多场协同分析，对AVC的流动和传热性能进行了综合评价。结果表明：随着燃烧室来流速度的增大，速度与速度梯度的协同角α、速度与温度梯度的协同角β、速度与压力梯度的协同角θ均减小，温度梯度与速度梯度的协同角γ及压力梯度与速度梯度的协同角φ增大。随着来流温度的提高，α，θ增大，β，γ，φ减小。随着壁面温度的提高，α，θ减小，β，γ，φ增大。对于AVC湍流流场的传热强化问题，增大来流速度和来流温度，降低壁面温度会强化流动换热；增大来流速度和壁面温度，降低来流温度可以减少传热功耗；增大来流速度和壁面温度，降低来流温度能够提高强化传热的综合性能。

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中文摘要

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目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容

1.4本章小结

第2章 数值计算模型及方法

2.1 数值模拟理论

2.2 湍流模型

2.3 反应模型

2.4 网格划分及网格无关性验证

2.5 实验算例验证

2.6 本章小结

第3章 后钝体开口AVC燃烧数值模拟

3.1 计算模型及方法

3.2 计算结果与分析

3.3本章小结

第4章 基于涡流发生器射流原理的AVC燃烧特性研究

4.1 计算模型及方法

4.2 计算结果与分析

4.3 本章小结

第5章 带导流片的AVC燃烧特性研究

5.1 计算模型及方法

5.2 计算结果与分析

5.3本章小结

第6章AVC流动传热的场协同分析

6.1 AVC速度场与温度场协同分析

6.2 AVC多场协同分析

6.3 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文研究结论

7.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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