基于CFX的微型喷气发动机燃烧室流态研究

摘 要：10 cm量级的微型喷气发动机具有广泛的应用前景。紧凑的结构使其燃烧室中回流区的形成及冷却气的混合距离有限，导致燃烧室出口温度过高。基于ANSYS/CFX程序平台，对一种直流环形燃烧室的流态进行了数值模拟。通过对流场结构的分析，讨论了射流孔的不同流量分布对回流区和混合区的影响，并研究了燃烧室入口不同流量对射流孔流量分布的影响。结果表明，数值模拟能反映出燃烧室流态的变化，对微型喷气发动机燃烧室的结构设计具有重要的工程应用价值。

关键词：数值模拟 微型涡喷发动机 环形燃烧室

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0100-03

10 cm量级的微型喷气发动机具有结构简单、成本低廉的优点[1]，在一些特殊领域作为动力装置有着广泛的应用前景[2]。由于发动机结构的紧凑导致燃烧室空间窄小，如何在有限的空间中保证燃烧稳定并且有效的进行冷气掺混以降低燃烧室出口温度，成为这类发动机研究的关键问题，要解决此问题必须在燃烧室中建立适合小尺寸燃烧室结构的流态[3]。对于大型发动机燃烧室的一些结构并不适用小型发动机燃烧室，如通常采用的旋流器与射流孔共同形成回流区来保证燃烧稳定，但在小发动机燃烧室中一般不用旋流器，而是以射流形式形成回流区[4]。此外，大型发动机上的压力喷油嘴在小型发动机上也难以实现，小型发动机多采用蒸发管形式的喷油嘴。基于小型发动机的自身特点，导致其燃烧室的设计出现多种样式，从国内外的报道中可看出燃烧室的结构比较多样[5]。各种结构都有各自的优点，如何选取一种性能较佳的燃烧室，只能综合分析其结构特点对流场的影响，然后确定不同参数的影响以改进设计[6]。

本文利用ANSYS/CFX程序平台对一种直流环形燃烧室的流态进行了数值模拟研究。通过改变射流孔的面积，对比分析了燃烧室的流态变化，并在不同燃烧室进口流量下，对火焰筒壁面射流孔的流量分配进行了研究，其结果可为工程应用提供指导。

1 燃烧室结构设计

计算采用的燃烧室结构如图1所示，火焰筒内外壁面为圆柱形，外壁直径96 mm，内径22 mm，轴向长度70 mm。

这种尺寸的发动机常采用蒸发管式喷油嘴，燃料管从后部伸入蒸发管入口处。燃料进入蒸发管后开始蒸发并与从蒸发管后面进入的空气混合。通过蒸发管后，燃料与空气形成均匀的燃料混合物射入到燃烧室，在蒸发管的射流及火焰筒壁面射流空气作用下在燃烧室前部形成回流区，进行稳定燃烧。

如表1和表2所示，火焰筒外壁布置5排空，内壁布置4排孔，各排孔沿圆周均匀分布，其每排孔的个数、直径及距火焰筒前端距离见下表所示。蒸发管内径6.6 mm，长62 mm，均匀排布6个，其位置为圆心处在直径为81 mm的圆周上。

火焰筒壁面开孔具有对壁面冷却、助燃以及形成回流区的作用，燃烧室后部较大的孔与燃气掺混进行冷却以降低出口燃气温度。因此，越靠后的孔射流的空气流量大，尺寸就比较大。上壁面最后一排孔为了吹出死角区燃气，防止温度过高，需要空气流量不多，孔径较小。

2 建立计算模型

ANSYS/CFX程序平台对工程应用起到了重要的辅助作用，其研究结果可有效的指导工程设计。选取的计算模型从燃烧室入口至出口段，该模型试验用的压气机为离心式叶轮，由于尺寸较小，压力提高的不多，因此出口使用压力边界条件，设为一个大气压，入口以速度为条件。由于燃烧室的复杂结构，采用了四面体网格，在射流孔周围进行了加密处理，如图2所示。采用K-ω模型，这种模型适合于大曲率流动形式，对回流区的计算效果比较好。燃烧室结构为周期轴对称结构，为减小网格数量，周向取了60度范围作为计算域。通过试算几种不同网格数量，选取了100万网格数进行计算，此网格数量对结果基本没有影响。计算精度RMS为10e-5，这个程度可以进行定量的分析。

火焰筒的壁面射流和蒸发管的射流共同形成燃烧室的流态，不同的射流孔分布必然对流场结构有影响。射流孔的数量众多，如果对每一组合进行研究，势必计算量巨大。各排孔中孔径大的射流孔影响比较大，因此，选取了外壁第四排孔进行面积调整，而其他孔不变。

3 计算结果分析

图3为在进口流量0.038 kg/s时，通过蒸发管中央截面速度分布图，火焰筒壁面孔的分布为表1所示。可以看出在燃烧室前端蒸发管出口处形成回流区，回流区并没有形成轴对称的双涡结构。这是由于蒸发管的射流对回流区的形成起到引射作用，从图中可以看出蒸发管中的速度要大于外部流场速度。而蒸发管比较靠近火焰筒外壁，从横截面看上去形成了马蹄状的结构，如图4中流线的分布所示。从图3看出，回流区的旋涡直径从蒸发管下端一直到火焰筒内壁处。对于小型燃烧室，由于空间的限制，不容易形成大型燃烧室对涡结构的回流区，而形成单涡结构更为可取，这样更利于旋涡的形成。

图5所示为同样流量下，火焰筒外壁第四排孔直径变为8 mm后的流场图，从图中看，流态结构保持不变，蒸发管中的流速变慢，由计算得，蒸发管射流原来出口速度21.56 m/s，改孔后为16.0 m/s。这是由于外壁第四排孔的变大，导致通过蒸发管的流量减小。蒸发管中的速度变小会影响回流区的切向速度，对回流的形成不利。第四排孔虽然流量变大，但同时面积增大，由计算可得，原来第四排孔的平均流速为22.3 m/s，改大后，速度为19.5 m/s。流量增加有利于掺混冷却，但速度降低影响射流深度，会使掺混不充分，冷却效果下降。表3为改孔前后各射流孔的流量比例对比。可以看出，一排孔的流量变化导致所有孔的流量变化，并且变化比较复杂，说明流量受多种因素影响。

图6为改孔前模型在不同燃烧室流量下各火焰筒壁面孔的流量变化，从图中可以看出，随流量增大，各孔的质量百分比趋于稳定，变化很小。说明这种燃烧室随发动机转速增加时，各孔流量分配保持的比较好，这样在不同工况下，燃烧室都可以保持一个稳定的流态。

4 结论

（1）通过数值模拟研究可详细的了解这种结构燃烧室的流态及影响因素，采用了蒸发管射流与火焰孔壁面孔射流共同作用形成回流区，能够形成比较好的流态形式，这为试验改进提供了重要指导。

（2）火焰筒壁面孔的分布决定了流量的分配，从而直接影响流场结构，如何获得更好的流态形式，需要深入研究火焰筒的流量分配以及影响流量分配的因素，如射流孔的孔型，间距等。

（3）不同流量时，随流量增大，火焰筒壁面各孔流量分配基本稳定，这有利于燃烧室保持流态，以及对燃烧室燃油流量的调节控制等问题带来方便。

参考文献

[1] 蔡真.微型发动机结构及动力学建模分析[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[2] 黄勇，林宇震.燃烧与燃烧室[M].北京：北京航空航天出版社，2009.

[3] 郭德三，单鹏.微型离心甩油环形折流燃烧室设计与数值研究[C]//中国航空学会第八届小发动机学术会议论文集. 2009.

[4] 李聪，方蜀州，方平.微型涡喷发动机燃烧室数值模拟[Z].

[5] 袁有志，王立平，关立文.微型环形燃烧室数值模拟及优化设计[J].清华大学学报，2007，47（2）：198-201.

[6] 曾川，王洪铭，单鹏.微涡喷发动机离心甩油盘环形折流燃烧室的设计与实验研究[J].航空动力学报，2003，18（1）：92-96.