时间：2022-09-23 03:28:07
摘 要：为探讨交叉射流燃烧室流场的特点，采用数值模拟方法对燃烧室二次流以不同射流角度而形成的三维交叉射流流场进行了研究。从涡结构及湍动能的角度讨论了其流场特征。研究表明：随着二次流射流角度的增大，燃烧室头部涡旋区先变大后变小，掺混区涡旋区逐渐变细长；湍动能的最大值逐渐降低，湍流区域逐渐向壁面靠近，不利于油气掺混，流场趋向不合理。
关键词：交叉射流；对撞射流；湍动能；数值模拟
引言
航空发动机燃烧室内合理的流场结构能实现快速点火、火焰稳定传播以及高效率燃烧。对燃烧室燃烧特性及结构设计的研究，数值模拟方法被广大研究人员采用。Zeinivand等[1]用数值模拟方法比较了不同湍流模型和燃烧模型，并且还研究了对撞射流二次空气射流股数和位置对射流稳燃燃烧室燃烧特性和NOx排放的影响[2]。Watanable等[3，4]数值研究了通过交叉射流减低NOx排放的方法，结果表明二次气流进口速度越大，空气和燃气混合得越好，并且高温区会变窄，燃气在高温区驻留时间减少，NOx排放减低。由以上论述发现交叉射流特殊的流场结构对燃料和空气的掺混效果较好，文章基于文献[1]设计的对撞射流燃烧室，结合文献[3]中的交叉射流，研究燃烧室二次流射流角度对流场结构的影响。
1 计算模型与计算工况
1.1 计算模型
燃烧室几何结构如图1所示，部分尺寸参考文献[2]，燃烧室总长400mm，直径80mm，距离头部壁面60mm处周向均布4个二次流喷管，燃油雾化采用射流式空气雾化喷嘴，模型网格使用ICEM软件所画，网格质量均在0.6以上。
数值计算采用不可压N-S方程，湍流模型采用the Realizable κ-？着模型，采用标准壁面函数法近壁面处理，壁面均设为无滑移边界条件，燃烧室进口边界条件采用速度入口，出口边界条件采用压力出口。
1.2 计算工况
主要工况参数与文献[2]一致，主流空气流量为1.2kg/h，二次流流量为33.5kg/h。燃油从燃烧室头部中心的空气雾化喷嘴中喷入。图2所示为角度示意图，表1所示4种工况为二次流不同的射流角度（逆时针喷射）。其中轴向角度β固定为20°
2 计算结果与分析
2.1 流场分布规律
对于流场的分析，均取通过喷管中心的纵截面，即x=0处的对称中心面。二次流不同喷射角度对流场分布规律的影响如图3所示。
从图3中可知，从z=0到z=60mm之间的头部区域，由Case A 的对撞射流变化到Case B的交叉射流，头部区域流场变化较大，Case A头部出现两对对称小涡旋区，而Case B则变成一对大涡旋区。随着角度变大，Case C 与Case D头部涡旋区逐渐变小，并且涡旋中心向壁面靠近。在喷管后的掺混段，Case A中出现一对靠近壁面的涡旋区，低速的涡旋区能使燃油快速燃烧，因此在该区域会产生局部高温区，这对燃烧室壁面不利。而Case B中的一对涡旋区则靠近中心区域，旋流产生的气流将涡旋区与壁面隔离，防止壁面被高温燃气烧裂。随着角度逐渐变大，Case C 与Case D掺混区的涡旋区逐渐变细长，并且逐渐向壁面靠近，大部分气流从中心流过，不利于油气掺混及火焰稳定燃烧。
2.2 湍动能分析
图4表示二次气流不同喷射角度湍动能分布图，主要来源于时均流，通过雷诺切应力做功给湍流提供能量。比较图4各工况的湍动能变化情况，湍动能均沿轴线成对称分布，随着周向角度不断增大，在x=0的纵截面上，高强度的湍动能区域从对称中心向壁面迁移。
3 结束语
通过改变二次流喷射角度，数值分析其对燃烧室流场产生的影响。可以得出以下结论：（1）随着二次流周向角度由0度增加到10度时，射流方式由对撞射流变为交叉射流，燃烧室头部涡旋区范围变大，掺混区涡旋变宽，然而湍动能的最大值降低，湍流区域逐渐向壁面靠近。（2）当二次流周向角度由10度增加到30度时，燃烧室头部涡旋区范围逐变小，掺混区涡旋变细长，湍动能的最大值逐渐减低，湍流区域逐渐向壁面靠近，不利于油气掺混，流场趋向不合理。
参考文献
[1]Tehrani F B，Zeinivand H. Presumed PDF modeling of reactive two-phase flow in a three dimensional jet-stabilized model combustor[J]. Energy Conversion and Management，2010，51（1）：225-234.
[2]Zeinivand H，Tehrani F B. Influence of stabilizer jets on combustion characteristics and NOx emission in a jet-stabilized combustor[J]. Applied Energy，2012，92：348-360.
[3]Watanabe H，Suwa Y，Matsushita Y，et al. Numerical investigation of spray combustion in jet mixing type combustor for low NOx emission[J]. Energy Conversion and Management，2008，49（6）：1530-1537.
[4]Watanabe H，Suwa Y，Matsushita Y，et al. Spray combustion simulation including soot and NO formation[J]. Energy Conversion and Management，2007，48（7）：2077-2089.