冲压发动机燃烧室流场的数值模拟

冲压发动机燃烧室流场的数值模拟

长期以来，提议和研究主要依靠大量试验，但燃烧试验的项目很多，这增加了人力、物力和财力。随着车辆结构的复杂性，燃烧试验的范围越来越大。随着数值传热学(NHT)、计算流体力学(CFD)、计算燃烧学(CC)的不断发展与结合,数值模拟相对于试验的优点越来越明显。许多人采用数值模拟的方法对燃烧室流场进行了研究,取得了明显的效果。本文采用有限体积法对图1所示的带V型火焰稳定器的冲压发动机燃烧室的流场进行了数值模拟,火焰稳定器形状如图2所示,燃油从火焰稳定器的V型槽内喷出。1xj表示输运系数的意义在图1所示的燃烧室流场中,控制方程可写成下列通用形式:∂∂xj(ρujφ)=∂∂xj(Γφ∂φ∂xj)+Sφ∂∂xj(ρujφ)=∂∂xj(Γφ∂φ∂xj)+Sφ上式中:φ表示通用变量,Γφ表示输运系数,Sφ表示源项。方程中各变量的意义详见文献。湍流模型为标准的k-ε二方程模型、湍流燃烧模型采用EDM模型、辐射模型为P-1模型。2湍流分析模型采用有限体积法对上述控制方程在控制体上作积分,得到离散方程,包括动量方程、湍流动能方程、湍流动能耗散率方程、能量方程和组分方程,并用QUICK差分格式进行求解,压力和速度的耦合采用SIMPLE方法。3火焰稳定器的网格本文采用块结构化网格法生成计算网格,各块的网格采用结构化法生成,块与块之间对接,生成整体网格,如图3所示。在生成火焰稳定器网格时也采用结构化法,火焰稳定器的表面网格如图2所示。边界条件包括进口边界条件、固定壁面边界条件、对称边界条件和出口边界条件,详见文献。4计算与分析4.1火焰稳定器特性图4是流场速度等值线图,从图中可以看出,在头部和火焰稳定器后出现回流区。图5为流场中火焰稳定器局部速度矢量图。在燃烧的情况下,火焰稳定器后的回流区比冷流情况下明显缩短。这是因为在正压梯度的作用下形成了返流流动。采用火焰稳定器,降低了涡心压力,而燃烧增大了旋涡的背压,这些都使正压梯度增大。图6为流场的等压线分布。在燃烧室段内,燃气的等压线几乎垂直于燃烧室的轴线,同一个轴截面上燃气的压强分布比较均匀。燃气进入喷管后迅速加速,这样就形成了压力在喷管内的剧烈变化,这正是可压缩流动和不可压缩流动的差别之处。图7为流场的等马赫数线分布。在火焰稳定器后面,温度较高,声速较高,所以在这一区域形成了一个相对下游较低马赫数区。燃烧室内马赫数不大,到喷管入口处马赫数为0.4左右,声速在喷管喉部之前(喉部为最小截面),这表现出喷管内流动呈多维流动的特性。从流场马赫数的分布情况来看,流场的特性分布是合理的,这说明对燃烧室内的湍流反应流动的数值模拟的结果是合理的。4.2燃烧效率的变化图8为燃烧室内的总压恢复系数沿轴向的变化曲线。由于燃烧,燃气温度增加。根据过增元的热阻力理论,在流动方向上形成压力降,导致压力下降。从图中还可以看到冷态流场的总压恢复系数要比热态流场的高,说明冷流场的总压损失较小,这是因为冷态流场时只有流动损失而没有热损失。图9为燃烧室内燃烧效率沿轴向的变化曲线。从图中可以看出,在燃烧室前端燃烧效率比较低,随着燃烧的不断进行,燃烧效率迅速升高,在燃烧室尾部,燃烧效率变化比较缓慢,但燃烧效率达到最高。由于燃油喷雾蒸发极快,不存在蒸发损失问题。因此,燃烧效率主要受混合过程影响。4.3燃烧体积对称场的影响4.3.1燃烧温度对燃烧效率的影响图10是燃烧室大尺寸和正常尺寸下沿轴向的平均温度对比图,径向尺寸增大,温度变低。图11中显示了燃烧室径向平均温度的分布,表明燃烧室内温度分布不均匀,温度分布比正常尺寸时平缓,但温度值较低。燃烧室尺寸越大,热传导热流越小,燃烧效率低,燃烧效率的变化曲线图13也显示出了这一点,燃烧室径向尺寸增大对提高燃烧效率不利,并且也会使燃烧室的截面积增大,使飞行阻力增大。从图12中可以看出,燃烧室尺寸增大,总压恢复系数变高,总压损失较少。4.3.2燃烧效率的变化图14为燃烧室加长时总压恢复系数的变化曲线图。从图中可以看出,由于燃烧室长度加长,在流动过程中总压损失较多。图15为燃烧室加长时燃烧效率的变化曲线。随着燃油的不断蒸发,来流空气和燃油的混合加强,燃烧效率不断升高,到燃烧室出口前一段距离处燃烧效率变化就比较缓慢,燃烧效率也达到了较高。燃烧效率的变化曲线表明,加长燃烧室可以为燃油和空气的混合以及燃烧提供更大的空间,但也无形中增加了燃烧室的体积和质量。4.4火焰平衡器对燃烧中的位置压力的影响4.4.1燃烧效率的变化从图16中可以看出,速度分布不均匀,和正常尺寸下的分布相差较大,并且气流速度较高,火焰很容易被吹灭,不利于火焰的稳定。从图17中可以看出,火焰稳定器靠前时,燃烧效率总体上没有单独加长燃烧室长度时的高,燃烧效率的变化梯度较小。虽然燃烧室的长度相对加长,但效率并没有太大的提高,并且来流空气进入燃烧室时,速度不是很均匀,可能产生振荡,影响燃烧的稳定。4.4.2降低燃烧效率图18为燃烧室燃烧效率的变化曲线。由于火焰稳定器靠前,燃油喷雾来不及和空气混合就被吹走,燃烧效率降低,降低约4%。从图19中可以看出,在燃烧室末端,火焰稳定器靠前,CO2的质量分数变高,喷管中CO2的质量分数也变高,这说明火焰稳定器靠前时,燃油喷雾被高速气流吹到下游,以至于在燃烧室出口还没有完全反应完,这也是导致燃烧室燃烧效率低的原因。4.5喷角对燃烧的影响图20为总压恢复系数的变化曲线。从图中可以看出,喷角变小,总压恢复系数有微微升高,表明减小喷角,可有限地减小总压损失,但在计算中发现,减小喷角,计算收敛性较为困难,这也反映了当喷角较小时,射流火焰不稳定的物理现象。图21为燃烧效率沿轴向的变化曲线。从图中可以看出,喷角变小,燃烧效率降低。这是因为当喷角变小时,燃油在径向方向上的速度变小,燃油的射流长度增加,燃油和来流空气的相互扰动变弱,反应速度下降,导致燃烧效率降低。从计算结果来看,两者相差不到2%,这是因为,燃油速度相对来流空气的速度较小。5燃烧对流场特