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              短螺旋型燃燒室旋流結構及氣動邊界發展規律數值模擬
              发稿时间:2019-08-16         作者:张军华 胡斌          来源:國家能源風電葉片研發(實驗)中心     【字号:

                短螺旋燃燒室(SHC)不同于傳統的環形燃燒室構型,其每個燃燒室頭部(含旋流器及頭部擋板、擋油盤等)以過頭部擋板中心且垂直于發動機軸線的直線爲旋轉軸,旋轉一定角度,從而构成一種非軸向進氣的結構,其結構概念圖如1所示。國內外相關的研究表明短螺旋燃燒室在縮短發動機軸向長度、提高燃燒室結構緊湊性、減少壓氣機出口和渦輪入口導葉數等方面具有巨大的潛力。然而,傾斜的燃燒室頭部會導致側壁面的出現(圖1所示),从而对燃烧室内部的旋流产生非轴对称的约束,进而影响内部的回流区结构。为了进一步阐明不同头部安装角的变化与内部流场结构转变的规律,工程热物理研究所國家能源風電葉片研發(實驗)中心的研究人员采用定常RANS方法研究了不同頭部安裝角下的旋渦結構以及氣動邊界的産生與發展,並結合相關的切向角動量和徑向壓力場分布分析了氣動邊界對不同旋渦結構的影響。 

                2給出了頭部安裝角爲15°35°45°時,不同軸向位置展向截面的Q值云圖,其中Q值越大,表明流体转动效应越强,代表该处存在旋涡结构。从圖2中可看出两个主要的变化规律。一是在同一轴向位置,随着头部安装角的增加,旋涡经历了对称的环状结构、马蹄状结构、封闭的环形结构的演化过程。二是随着轴向距离的增加,不同头部安装角下的旋涡强度皆不断衰减。前者是由相邻头部之间出现的高轴向速度气流,即气动边界的变化导致的,而后者则是因为旋流的强度受粘性耗散作用而沿轴向不断衰减。其中气动边界如圖3所示。 

                气动边界是轴向速度较大的一股气流,能对旋流构成周向约束,如圖3中黑色虛線圈所示。當頭部安裝角爲0°時,氣動邊界的高度值最大,這會對旋流産生較強的周向約束,此時旋渦體現爲封閉的環形結構。當頭部安裝角爲15°時,此時氣動邊界的高度太小,對旋流約束減弱,旋流出現周向的擴張,因而旋渦出現“缺口”,變爲馬蹄形結構。隨著安裝角進一步增加,氣動邊界的高度不斷增加,對旋流的約束不斷增強,旋渦逐漸變爲封閉的環形結構。熱態流場的變化規律與冷態一致,但氣動邊界的高度值較小,這是由于燃燒形成的氣體膨脹會對氣動邊界的産生和發展帶來不利影響。 

                为了说明气动边界对旋流的约束作用,圖4计算了冷态流场的切向角动量沿轴向的变化值。从圖4中可看出不同頭部安裝角下旋流的切向角動量在總體上都出現隨軸向距離增加而衰減的現象,說明了旋流強度不斷減弱。而當安裝角爲35°45°時,旋流的角動量分別在軸向距離爲90mm110mm附近出現了局部增大的現象,且峰值與時的接近,這說明此時出現的氣動邊界對旋流擴張産生了約束,因而流場的旋渦出現相應的環形結構。 

                5給出了軸向距離爲10mm处的压力云圖。根据简化的一维动量方程可知,旋流流动越强,气体微团受到的离心力将越大,因而径向压力梯度也越大,从而构成大范围的低压区。当安装角为時,此時的低壓區域爲環狀結構。當安裝角爲15°時,此時旋流引起的局部低壓區域變爲月牙形,其面積比冷態的小,表明此時旋流大幅度減弱。當安裝角爲35°和45°時,在非受限側重新出現大的壓力梯度,這也進一步證實了旋流受到了氣動邊界的約束,導致其強度衰減變慢。而對于熱態流場,由于氣動邊界受燃燒膨脹的影響,局部低壓區域也相應變小。 

                本研究探索了不同頭部安裝角下的旋渦結構及氣動邊界沿軸向的演化過程,能爲今後短螺旋燃燒室的設計與應用提供了理論基礎。相關成果被《推進技術》期刊錄用。 

               

               

               

               

               

               
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