贫油预混预蒸发燃烧室回火现象的大涡模拟.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252014Vol35No61505—1512lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn贫油预混预蒸发燃烧室回火现象的大涡模拟乔英杰+，毛荣海中航商用航空发动机有限责任公司上海商用飞机发动机工程技术研究中心，上海201108摘要：为研究贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室的回火现象及形成机理，基于大涡模拟(LES)及部分预混燃烧模型，对Schneider试验进行数值计算，分别将冷态及燃烧温度场与试验结果进行对比，验

2、证了模型的准确性。将该模型应用于LPP燃烧室，并利用详细的化学机理对航空煤油火焰传播速度进行修正，成功重现了回火现象的发生并向主燃级上游传递的动态过程，通过流场分析发现局部形成的不规则涡结构在回火现象中扮演着重要角色。进一步从涡量方程的角度对涡结构进行分析，发现燃烧引起的斜压及体积膨胀是诱发回火现象的主要原因。关键词：贫油预混预蒸发燃烧室；回火；大涡模拟；斜压；体积膨胀中图分类号：V231．2文献标识码：A文章编号：10006893(2014)06150508随着环境排放标准的日益严格，NO。排放水平成为航空发动机及地面燃气轮机能否进入市场的重要评价指标。贫油预混

3、预蒸发(LPP)技术通过燃料与空气良好掺混形成较均匀混气，在贫油条件下工作，可以有效地控制火焰温度，并有效降低NO。排放。但是该技术也存在不足之处，主要问题在于均匀混气在高温下容易发生自燃和回火现象。回火是指火焰不能稳定于火焰筒内，而是向上游传递到混合区，由于混合区内通常没有冷却设施，火焰可以在很短的时问内对燃烧室造成巨大的破坏。Lewis和vonElbe[11是最早系统开展回火问题研究的学者，通过对本生灯火焰的研究得出了层流预混火焰的回火临界条件，针对层流预混燃烧问题，该结论的正确性已经被多种试验证实，成为一条经典的理论研究结论。由于在实际工程中的流动形式以湍流

4、为主，因此极大地限制了该结论的应用范围。现阶段国外学者的研究主要集中在回火现象的起因上，并提出了用来预防回火现象发生的新技术。目前学术界对回火起因的认知尚未完全统一，主流方向有以下3个：1)边界层回火：这种观点继承了Lewis和vonElbe的理论体系，认为在边界层内的火焰传播速度大于主流气体速度，从而引起火焰向上游传播瞳。。]。2)不稳定燃烧引起的回火：这种观点更多地考虑了工程实际，实际上燃气轮机内的确存在燃烧不稳定的问题，典型的例子是压气机喘振，能够造成燃烧室局部失速从而诱发回火现象阻]。3)燃烧诱导涡破碎引起的回火：这种观点主要针对旋流燃烧室，回流旋涡在燃烧

5、的作用下挤压并逐渐融合，形成稳定的回流流场，旋流强度超过一定范围可能导致回流进入混合通道内部，引发回火现象口。7]。国内对回火问题的研究比较少，文献中可见的主要有钟华贵和朱涛口1在LPP燃烧试验中发收稿日期：2013—07—10；退修日期：2013—12—19；录用日期：2014—02—10；网络出版时间：2014—03—1119：27网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／107527／S1000—689320130538html*通讯作者Tel：021—33367186E-mail：qiaoyj@acaecomcn昏甬格式QiaoYJ，Ma

6、oRHLargeeddysimulationofflashbackphenomenoninaleanpremixedprevaporizedcombustorfJJActaAero—nauticaetAstronauticaSinica，2014，35(67：1505．1512乔莫杰，毛荣海贫7自预混预蒸发燃烧室酉欠现象晌大漏模拟i如航空学报，2014，35(67：1505-15121506航空学报Jun252014Vol35No，6现只要预混装置出口存在回流，就会出现回火现象；田颖等凹1采用试验及数值计算的方法，针对Hz／CH。燃料的回火特性进行了研究。综合现阶

7、段国内外的研究现状，发现国内外学者对回火问题的研究主要集中于气态燃料，对航空煤油的回火研究涉及较少，参考意义有限。随着发动机压比的不断提高，燃烧室入口温度、压力都提高到了一个新的水平，发生自燃和回火的可能性也越来越大，该问题已成为制约LPP技术应用的主要瓶颈。因此有必要对该问题展开系统深入的研究。本文以Schneider试验器口”1。1为原型，以该试验的冷态和燃烧状态数据来验证大涡模拟(LES)计算方法，并将该计算方法应用于采用LPP技术的航空发动机燃烧室，对典型起飞工况下的回火现象进行了重现，最后对回火现象的起因进行了相关分析。1几何模型及计算方法1．1几何模型

8、及网格划分