三级旋流器的设计及其流场模拟2010年10月沈阳航空工业学院第27卷第5期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringOct.20l0V o1.27No.5文章编号:1007—1385(2010)05—0038—04三级旋流器的设计及其流场模拟吴振字王成军王丹丹(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UG软件建立三级旋流器模型燃烧室的几何模型,采用四面体非结构网格划分方法,生成网格计算模型,应用Realizablek一8湍流模型对该模型燃烧室的冷态流场进行数值模拟.研究结果表明:与旋流器其它参数相比,各级旋流器之间的流量分配对三级旋流器的流场特性(如回流区范围和中心速度分布)有较大的影响.深化了对三级旋流器各种设计参数的认识,有助于实现三级旋流器的进一步优化设计.关键词:航空发动机;燃烧室;数值模拟;三级旋流器中图分类号:V231.2文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1007—1385.2010.05.009旋流器是航空发动机燃烧室的基本构件之一,其最主要的作用是在火焰筒中心形成低压区,使热燃气回流,产生稳定点火源.根据级数的不同,旋流器可分为单级,双级及多级(三级)等几类.目前,先进的航空发动机如CFM56,GE90,F101等均采用了双级旋流器.近年来,国内外对三级旋流器开展了大量研究,结果表明:采用多级旋流器的燃烧室具有火焰稳定工作范围宽,燃油雾化效果好,燃烧效率高,污染排放低等优点¨I6J.本文在对三级旋流器进行初步设计的基础上,用数值模拟的方法研究旋流器的各种参数对旋流器出口流场的影响,以实现旋流器优化设计的目标.1三级旋流器的设计要点就设计步骤而言,多级旋流器的设计与单级旋流器的设计是相同的,都是通过流阻系数和旋流数.s计算出叶片安装角及旋流器的通道面积,进而确定旋流器的内外径,叶片数以及叶片宽度等参数【卜.但是,多级旋流器的设计应特别注意以下几点:第一,选定各级旋流器的形式.三级旋流器收稿日期:2010—07—12作者简介:吴振宇(1982一),男,山西原平人,在读研究生,主要研究方向:航空发动机燃烧设计与分析技术;E—mail:200805078@ 163.corn;王成军(1967一),男,辽宁沈阳人,副教授,主要研究方向:燃烧及两相流.的选形要充分注意各级旋流器之间以及旋流器与喷嘴及套筒的尺寸匹配问题.其选形应综合考虑燃烧室的空气流向,火焰筒与喷嘴的尺寸限制以及是否便于调节空气流量等因素.文中设计的三级旋流器采用了组合结构,即第一级旋流器采用径向式,第二,三级旋流器采用轴向式.这种组合形式的旋流器总体尺寸较小,既能保证燃烧室头部具有充足的空气量和足够强度的回流区,又可以在较大幅度内调整各级旋流器的空气比例.第二,确定各级旋流器的流量比例.在本文所设计的三级旋流器中,来自第一,二级旋流器的内外两股空气对燃油油膜产生剪切作用使其破碎雾化,而第三级旋流器的作用主要是控制火焰筒头部气流结构(回流区大小).为了研究三级旋流器空气流量分配对旋流器整体性能的影响,设计的三级旋流器采用了3种空气分配方案,流经第一,二,三级旋流器的空气分别选取0.16:0.36:0.48;0.23:0.33:0.44及0.28:0.32:0.40这3种比例.第三,确定旋流器的旋向组合方式.目前的双级旋流器多采用反旋向组合,流经旋流器的两路空气旋向相反,产生对油膜的剪切作用,促进燃油的破碎和雾化.本文设计的第一,二级旋流器也采用了反旋向组合,而第三级旋流器则采用了逆时针和顺时针两种旋向.下文将对两种旋向旋流器的流场进行数值模拟,研究旋向对旋流器回流的影响.第四,选定各级旋流器的设计参数.旋流器第4期吴振宇等:三级旋流器的设计及其流场模拟39 的几何参数主要包括内半径r,外半径R,叶片数n和叶片角等,它们共同决定了旋流器的主要气动性能如流量,旋转气流环量,出口总压及速度等.三级旋流器各个参数的选取要点如下:(1)各级旋流器内外半径r,R的选取.r小,R大则旋流器入口面积大,因而旋流器流量大,头部余气系数大,有利于加速燃烧反应,但是回流区直径会缩短,火焰稳定范围将减小.对于三级旋流器,各级旋流器的内外径要按其流量比来选定,同时要注意各级旋流器间的尺寸匹配问题. (2)角的选择.卢角大,则射流切向速度大,有利于增强回流强度,改善火焰稳定性但是口角过大容易造成油滴在火焰筒壁面附近燃烧,使火焰筒壁温偏高.本文设计的三级旋流器第一, 二级叶片角分别为42.和48.,第三级的叶片角分别选取了52.和56.两种角度.(3)叶片数的确定.旋流器的叶片应具有适当的安装重叠度,如果叶片数过少,将发生气流的直通现象,气流旋转强度被削弱,不利于燃烧过程的组织【9J.另外,适当稠度的叶片有助于旋流器性能的改善,但是气流的摩擦损失也会随着叶片数的增加而增大.本文设计的三级旋流器第一, 二级叶片数均为12片,第三级旋流器叶片数则有12片和15片两种,以便进行对比研究.参照单级旋流器的设计方法j,考虑到上述各点,将设计的三级旋流器与文氏管,套筒组合可得下图所示结构,下文中将以该结构为几何模型,对其流场进行数值研究.图1某三级旋流器结构图2三级旋流器冷态流场的数值模拟2.1创建几何模型研究对象为带有三级旋流器的模型燃烧室,利用UG软件建立多个三级旋流器的几何模型. 各个模型的区别在于其空气流量分配,旋向,叶片数,叶片角中的某一个参数与其他模型的相应参数不同.上文图1即为其中的一种三级旋流器结构图,其余各旋流器的结构与其类似.2.2网格划分利用Gambit软件对所建立的模型燃烧室的几何模型进行网格划分.采用区域法和四面体非结构化网格,将整个燃烧室分成两部分,对三级旋流器进行适当的网格加密,而燃烧室的其他区域则采用较粗的网格.经过上述处理,网格模型的网格总数在70万到75万之间.其中,三级旋流器的网格划分如图2所示.图2三级旋流器网格图2.3计算模型计算过程中应用CFD软件Fluent求解质量守恒方程与动量守恒方程,文中涉及到的计算模型为湍流模型.目前湍流模型中应用最为广泛的是k一8两方程模型,其中Realizablek—s模型为标准模k一￡型的改进方案.该模型在计算湍流粘度时引入了与旋转和曲率有关的内容,可以有效地模拟包含射流和混合流的自由流动以及有旋的均匀剪切流等流动.考虑到航空发动机燃烧室内的流动包括了射流和混合,流场中包含很多回流区,并且回流区的大小差别也很大,本文选用了Realizablek一￡双方程湍流模型.该模型的数学表达式如下:去(+毒(pku~)毒+~,/akl崛杀(Ps)+(p6).丝-l1axi1J+pCpc2忐其中,c一ax0.43,J'叼=(2s,S:1[au~+警)根据文献给出的经验值¨,上述方程中各常数项的取值分别为C=1.9,=1.0,=1.2.2.4边界条件及收敛标准的设置以某型航空发动机燃烧室的参数为参考,采沈阳航空工业学院第26卷用质量进口,压力出口边界条件,入口空气质量流量为0.08kg/s,出El静压为一个大气压;其余面均设为壁面.根据FLUENT软件里关于判断收敛的说明,本文把进出口流量相对误差小于5% 和全部残差小于1.0×10时的迭代结果作为数值模拟的收敛结果.3计算结果及分析3.1旋流器流量比例对流场和速度分布的影响选取三种空气比例进行研究,流经一,二,三级旋流器的空气量比值分别为q=0.16:0.36:0. 48;q,:0.23:0.33:0.44;q=0.28:0.32:0.40.三种空气比例对应的流场图和速度分布图如图3 一图6所示.图3旋流器各级流量比空气流量分配比为0.16:0.36:0.48时的流场图图4旋流器各级流量比空气流量分配比为为0.23:0.33:0.44时的流场图流器回流特性有较大的影响.具体来看,流经二,三级旋流器的空气越多,旋流器下游中心回流区的尺寸和直径就越大,而套筒下游流场中的两个角涡也越小.另一方面,在旋流器下游流场,燃烧室头部回流区中轴线附近的回流速度较低.3.2旋流器的旋向及叶片数,叶片角度对流场和速度分布的影晌.以第三级旋流器与第二级旋流器旋向相反,第三级旋流器叶片数/7,=12,叶片角度,=52.的三级旋流器为基准模型,取其流场为基准流场(图7).藿一图7基准旋流器流场图图8第二,三级旋流器同旋向流场图图9第三级旋流器叶片数n,=15流场图.,,..竺流器Nil:匕..,图10第三级旋流器叶片角岛:56.流场图空气流量分配比为为0. 28:O.32:O.40时的流场图一～一…～.一～…～…….E'-10lH.20图6回流区中心线(,0,0)速度分布图I可以发现,流经各级旋流器的空气份额对旋图11回流区中心线(,0.0)速度分布图Ⅱ由图7一图11可见,各种结构因素都会对旋一s『E～|f冀lI譬.H第4期吴振宇等:三级旋流器的设计及其流场模拟41流器下游的流场造成一定影响.模拟结果表明:第二,三级旋流器旋向相同时,回流区的直径较大,回流区的形状较为规则;不改变旋流器的内外径,增加第三级旋流器的叶片数目时,回流区尺寸减小,其形状趋向细长;将第三级旋流器叶片角度由52.增加到56.时,回流区在尺寸增大的同时长度变短.由图11可见,二,三级旋流器采用相同旋向时,回流区中轴线附近的速度较小,而叶片数和叶片角度对回流区的速度分布影响很小.4结论本文分析了三级旋流器设计工作中应注意的几个重要问题,包括旋流器形式与旋向的选择,叶片数与叶片角的确定等.通过对不同设计参数的旋流器进行对比数值研究发现各个设计参数对旋流器的流场及速度分布有不同程度的影响.其中,各级旋流器之间的空气流量比例对旋流器性能的影响最为明显,旋向组合的影响要小一些,而旋流器的叶片数和叶片角主要是影响燃烧室头部回流区的范围,对回流中心的速度分布影响不大.由于旋流器在燃油雾化破碎的过程中亦发挥着重要作用,下一步的工作中拟对旋流器出口的喷雾场进行研究,从而可以更为全面地评价三级旋流器的工作性能.参考文献:[1]LiG,bustioncharacteristicsofamultiplespray swidcombustor[R].AIAA2003—0489.[2]LiG,AngierS,LambolezO,eta1.Experimentalstudyofvelocity flowfieldforamuhipleswirlspraycombustor[R].AIAA2002一O6l8.[3]LiG,GutmarkEJ.Flowfieldmeasurementsoftripleswirlerspraycombustor[R].AIAA2002—4010.[4]丁永顺,丁洋,王成军.双级旋流器燃烧室的数值模[J].沈阳航空工业学院,2008,25(5):l6—19.[5]蒲宁,徐让书,吴超,等.航空发动机燃烧室流动数值计算中湍流模型的比较[J].沈阳航空工业学院,2008,25(5):24—27.[6]彭云晖,林宇震,许全宏,等.双旋流空气雾化喷嘴喷雾,流动和燃烧性能[J].航空,2008,29(1):1—14.[7]航空发动机设计手册总编委会编.航空发动机设计手册第9册[M].北京:航空工业出版社,2000:223—229.[8]李长林.航空发动机主燃烧室设计[M].西安:西北工业大学印刷厂,1984.[9]焦树建.径向旋流器的设计方法及其燃烧特性[J].燃气轮机技术,1994,7(4):33—42.[1O]ANSYS.Inc.FLUENT6.3User'sGuide[s].USA:ANSYS.Inc,2006.TripleswirlerdesignandfluidnumericalsimulationWUZhen—yuW ANGCheng—janWANGDan—dan (SchoolofAeroDynamicsandEnergyEngineering,ShenyangAerospaceUniversity,Liaon ingShenyang110136)Abstract:UGsoftwareisusedtoestablishthegeometrymodelofthetripleswirlercombustor,t hedcalcula—tionmodelwasgeneratedusingtetrahedralunstructuregdmeshingmethod.ThroughRealiza blek一￡turbu-lentmodel,coldflowfieldofthismodelcombustorissimulated.Thesimulationresultsindicatethatair—flow ratioofthetripleswirlerhasagreateffectontheflowfieldcharactersuchastherangeofrecircul ationzoneandcenter—paredtootherkeyparameters.Theresearchworkishelpfulfora bet—terunderstandingoftripleswirlerparametersandisbenefitfortripleswirleroptimizationdesi gn.Keywords:aircraftengine;combustor;numericalsimulation;tripleswirler(责任编辑:吴萍)。
