不同拓扑结构喷嘴内交叉射流的数值研究

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1、2010年6月沈阳航空1=业学院学报第27卷第3期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringJun．2010V01．27No．3文牵编号：1007—1385(2010)03—0035—06不同拓扑结构喷嘴内交叉射流的数值研究苏金友王力军(沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳110136)摘要：利用CFD软件对五种不同拓扑三维燃料一空气快速混合喷嘴进行了数值计算；应用两相流模型和RNG_

2、}一占湍流模型。描述了快速混合喷嘴内两相流动过程。计算得出5种拓扑燃料一空气交叉射流喷嘴中湍流强度分布、总压损失系数、在流向方向各个截面

3、温度分布和出El径向温度分布、出口速度分布和出口径向质量分布系数。通过对这些数据的分析，结果表明，射流下游添加肋结构可以有效增强混合气的快速形成，肋添加越多，对燃料的破碎和燃料一空气的混合越有利。关键词：交叉射流；两相流；燃油喷嘴；快速混合中图分类号：V211．8文献标识码：A“高温空气燃烧室(HighTemperatureAirCombustion)”技术是90年代燃烧领域比较具有吸引力的一项技术¨j。该技术在高温空气掺混条件下具有极其低的氮氧化物排放的性能【2J。HiTAC的特性是高预热空气在燃烧前与燃料充分混合，然后进入燃烧室燃烧【2J。扩散燃烧应用预混技术关键是射流条件下的稳定燃

4、烧。一些关于HiTAC的技术研究现在也引起了国际关注。在解决HiTAC的预混燃烧稳定性技术之前，我们有必要对其进行数值研究，以便节省实验时间和实验费用。特别是在设备方面，通过数值计算我们可以得到一个大致的实验模型。在HiTAC技术上，最引起关注的是燃料一空气掺混段，要想掺混的既好又不能有自燃和回火现象的发生，需要我们对其进行进一步研究。KatsukiMasashi等人提出了快速混合喷嘴概念¨J。用旋流在燃料自燃延迟时间内，使得掺混完成，然后进入燃烧室燃烧。在高速混合段的拓扑设计上进行了CFD改进。近年来，燃油直接喷射入横向气流中的燃料一空气掺混技术是备受关注的一项研究课题HJ。同样，我们

5、采用该技术来耦合快速喷嘴方案来计算高预热预混燃烧技术。图1即为我们所收藕日期：2010—03—20作者简介：苏金友(1983一)，男，河南濮阳人，在读硕士，主要研究方向：航空发动机燃烧室设计及分析技术，E—mail：sujinyou2005@126．corn；王力军(1963一)。男，辽宁铁岭人，副教授，主要研究方向：高温空气燃烧技术．E—mail：wljOS03@163．t30m。计算的其中一种几何拓扑模型。图1改进型喷嘴计算模型(三肋)1控制方程1．1控制方程对于稳态湍流，我们采用时均控制方程。控制方程的一般形式如公式(1)所示：掣=毒c，甓Ⅲ。㈩其中，毋代表质量1，笛卡尔速度分量霹

6、，标量波动强度i，湍动能k，和耗散率占。下式将列出其中一个标量——混合分数。，=(m，一呶。)／(m￡6一m^。)厂=(面一m^。)／(m‘6一mf。)(2)其中，上划线表示时均值，m，是燃油的质量分数，下标口和b分别代表空气流和燃油流中的燃油质量分数。每个控制方程的独立变量和相应模型中的常数详见表1和表2．表1在方程(1)中的独立变量和相应参量耷rtl0s十_一O沈阳航空工业学院学报第27卷续表1qO"k口E叮m盯gO'eL盯以口d盯雪4珊卢cglc妇n085Q719Q719(19Q91．42L国1．42一Q387438n01228202计算工况及计算网格采用RNGk一占湍流模型，计算

7、域为计算模型的300扇形段50mm木3．5mm。考虑空气的可压缩性，定为空气为主流态，燃料(煤油，C，：H约)为次流态。采用CFD软件中的SIMPLE离散格式方程。计算工况的二维图如图2所示。Z乞ZZ￡ZZ￡￡￡￡／空气—◆1"-列蕊+种+,,11(1t)11117空气二·nn燃料(3)空气二．nn蘸科(5’空气二．n一●．_J1．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．一燃料(2)空气三=——●一l-···----—--····---···一菇辑(4)图2五种计算拓扑结构图空气进口采用nlass—flow—inlet边界，设置总温、质量流量、湍流强度和水力直径参数，对次流态质量

8、流量为Okg／s；燃料进口采用velocity—inlet边界，设置速度、湍流强度和水利直径参数；出口为pressure—outlet边界；表压为10个大气压，网格划分如图3所示。3计算结果与分析3．1纵剖面湍流强度场分布图3网格划分湍流强度(I)是衡量湍流强弱的一个相对指标，湍流强度区愈加均匀和分布广，将对我们的结构产生更好的掺混，为我们的采用标准。其用公式表达为：，．，，=旦=0．16(Re“)。1席(3)I,tavg11其中u