含导流片及钝体的tvc流动特性的数值模拟

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1、·南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论有别于常规的旋流器式燃烧室，驻涡燃烧室的气动布局是径向分级的形式，一般由主燃烧室和值班燃烧室两部分组成。主燃烧室是燃料主要燃烧的区域，值班燃烧室依据凹腔形成回流区来提供稳定点火源。驻涡燃烧室具有独特的火焰稳定方式，即利用凹腔中形成的涡流燃烧，为主燃区的燃料提供连续且致密的点火源。这种火焰稳定方式能够极大的减小主流气体对点火源的影响，提高了燃烧室的燃烧稳定性。国外曾对驻涡燃烧室的扇形试验件进行了试验，试验结果表明：与传统燃烧室作对比，驻涡燃烧室氮氧化物的排放减少了

2、40％；在较大进口速度下其燃烧效率仍大于或等于99％；其工作范围拓宽了40％以上[9-10]。燃烧组织方式的不同对驻涡燃烧室的性能影响很大。通过改变供油方式，可以将RQL技术（富油燃烧—快速淬熄—贫油燃烧）或LPP技术（贫油预混预蒸发）与驻涡稳定燃烧技术结合起来，形成RQL-TVC燃烧室[11]以及LPP-TVC燃烧室[12]，这些新型燃烧技术可以获得更好的燃烧稳定性、更低的污染物排放和更高的燃烧效率。图1-3带导流片的驻涡燃烧室驻涡燃烧室作为一种较新颖的燃烧室，与传统燃烧室存在很大的不同，目前尚

3、处于技术探索阶段。为了实现驻涡区中形成理想的双涡结构，需要驻涡区前后壁的进气速度比的恰当匹配，而不同的燃烧室结构对应的速度比不同，导致设计和性能调控上的难度，应用起来非常不方便。文献[13]中通过设置一个导流片，将部分主流气体引入凹腔，使得凹腔内的涡更稳定，如图1-3所示。而实验证明，不需要驻涡区前后壁进气，仅导流片结构即可在凹腔内形成稳定的双涡结构，但该情况下燃烧室性能较差。为了保证燃烧室性能的前提下使得结构简单化，本文对驻涡燃烧室提出了新的气动组织思路，即在含导流片的TVC中设置一个钝体，一方

4、面可加强主流与凹腔内燃气的掺混，另一方面可以利用钝体后方形成的回流区，燃料可以在此进行二次燃烧。通过对其内部湍流流场进行数值模拟，进而为实验的开展以及工程应用提供理论依据。···2···南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论1.2国内外研究状况1.2.1国外驻涡燃烧室研究状况在早期的研究中，驻涡被应用于导弹减阻[14]。Mair[15]和Whipkey[16]通过研究两圆盘钝体形成的轴对称驻涡凹腔，发现前、后圆盘钝体结构参数和间距对流阻有较大影响，同时流阻最小时，两圆盘间的流动最为稳定。Hsu等[17

5、-18]对第一代驻涡燃烧室进行了实验研究（如图1-4所示），其结构关于中心轴对称分布。第一代TVC主要包括三个部件，其中前体和后体组建成凹腔而形成驻涡区，与凹腔后体相连的中心体可以前后滑动，以此改变驻涡区的大小。燃料通过中心体内部的管道，从后体流入凹腔。图1-4第一代TVC第一代驻涡燃烧室具有压力损失小、燃烧效率高以及贫油吹熄范围广等特点，一经提出便得到了广泛的关注与研究[19-21]，如Sturgess等[22]研究了TVC内凹腔卷吸强度与主流和射流动量之间的关系，发现存在一定的凹腔长深比，使凹

6、腔卷吸强度随射流动量的改变而改变；ChristopherStone等[23]应用大涡模拟方法研究了TVC内空气与燃料的混合及燃烧状况，发现较高的进气速度有助于提高燃料与空气混合率。利用凹腔驻涡进行稳焰的思想在第一代驻涡燃烧室中得到了充分的体现，然而其存在的不足也是显而易见的，主要问题是：（1）凹腔与主流之间热质交换程度小，燃料基本都在凹腔进行燃烧，致使凹腔的热负荷非常高；（2）凹腔内油气比很大，所以有部分燃料未进行完全燃烧，直接流向燃烧室出口，降低了燃烧室的燃烧效率。3···南昌航空大学硕士学位论

7、文第1章绪论为了利用好驻涡区的能量，美国空军研究院与通用电气公司合作，研发了第二代驻涡燃烧室[24]，如图1-5所示。图1-5第二代TVC第二代TVC较第一代在结构布置及供油方式上有明显的变化。首先，凹腔驻涡区由内部驻涡转变为外部驻涡，这有利于凹腔驻涡与主流间的热质交换、维持火焰稳定并增大点火几率；其次，主流增加了燃料进气，燃料与空气在上游预混后进入燃烧区燃烧，从而提高温升并改善燃烧室出口温度分布情况。通过对第二代TVC的实验研究，发现其燃烧流动特性具有以下特点[24-25]：（1）较好的燃烧稳定

8、性。凹腔内流场受主流影响较小，主流速度较大时，不仅没有吹熄凹腔内火焰，反而增强了旋涡稳定性；（2）更宽的油气当量比范围。第二代TVC通过调节主流燃料流量来改变燃烧室内油气当量比，且当量比在0.05—1的范围内改变时，燃烧室仍然能正常稳定地工作。无论是第一代还是第二代TVC，其燃烧实验所采用的燃料都为气体燃料，对于液体燃料在驻涡燃烧室内的燃烧流动特性尚不清楚。为此，美国空军研究院之后又研发了第三代驻涡燃烧室，如图1-6所示。图1-6第三代TVC···4···南昌航空大学硕士学位论文第