某型发动机加力燃烧室数值模拟计算

某型发动机加力燃烧室数值模拟计算

阎庆安，贺孝涛

（西安航空动力股份有限公司）

摘要：本文对某型加力燃烧室湍流燃烧流场进行了数值模拟计算，计算结果定性合理。对加力燃烧室内部流动进行了分析，初步掌握了其速度、压力、温度等分布规律，为以后该型加力燃烧室的改进、改型，优化结构及解决故障提供了理论依据。

关键词：加力燃烧室；数值模拟；计算

1引言

随着航空发动机技术的不断发展，加力燃烧室作为军用发动机提高推力、改善性能的重要部件，其技术也在逐步提高。采用新技术进行新型号研制是提高加力燃烧室性能的一种手段，而对现役发动机进行理论分析、掌握基本规律，开展故障研究、提高可靠性是保证其可靠、有效工作的关键，同时也为延长发动机使用寿命奠定了基础。加力燃烧室试验费用非常巨大，利用数值模拟，对其内部发生的复杂燃烧过程进行计算，是一个重要的研究手段。本文通过对某型加力燃烧室进行了数值模拟计算，分析了内部的流动规律，为改进、改型及解决故障提供了理论依据。

2 理论计算

2.1基本计算方程

（1）质量守恒方程 通用质量守恒方程的一般形式为:

()m v S t ρρ?+??=?r (1)

该方程是通用质量守恒方程，适用于可压和不可压流动。

在加力燃烧室稳态工作燃烧时，通常作为定常流动处理，质量守恒方程可简化为：

()m v S ρ??=r (2)

式中， v r 为速度矢量；ρ为密度；m S 为由于相变扩散(如蒸发等)附加到流体中的质量

或其它质量源。

（2）动量守恒方程

动量守恒方程的一般形式为：

()()()v vv p g F t ρρτρ?+?=??+?++?r r rr r (3)

在加力燃烧室稳态工作燃烧时，通常作为定常流动处理，动量守恒方程可简化为：

()()vv p g F ρτρ??=??+??++r rr r (4)

式中， p 为静压；τ为应力张量；

g r ρ和分别为质量力和外部体力(如相扩散产生的相互作用力)。

（3）能量守恒方程 能量守恒方程一般形式为：

()()()()

eff j j eff h j E v E p k T h J v S t ρρτ???+?+=???++?????∑r r r r r (5) 在加力燃烧室稳态工作燃烧时，通常作为定常流动处理，能量守恒方程可简化为： ()()()eff j j eff h j v E p k T h J v S ρτ???+=???+?+????∑r r r r r (6) 式中，eff k 为有效热传导系数；j J r 为组分j 的扩散流量；h S 为包括了化学反应热以及用户定义的其它体积热源项。

（4）组分质量守恒方程 组分质量守恒方程为：

()()i i i i i S R J Y v Y t ++??=??+??r r ρρ (7)

式中， i Y 为组分质量分数；i R 为化学反应净产生速率；i S 为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。

2.2湍流模型

燃油在加力燃烧室中燃烧放出能量的过程非常复杂，包括气体流动和掺混、燃油雾化蒸发和混合、燃烧化学反应、燃气的辐射和对流、传热与传质等各种分过程，而且这些分过程又是互相交错进行的，实际上是一种综合复杂的物理化学过程，Re 相当大，是湍流燃烧现象。根据本型加力燃烧室的特点，采用改进的k -ε湍流模型RNG k-ε模型。

RNG k ε?模型两方程为：

()()i k eff k b M k i j j k k ku G G Y S t x x x ρραμρε??????+=++??+?????????? (8)

()()()2

132i eff k b i j j u C G C G C R S t x x x k k εεεεεεεεερερεαμρ??????+=++??+??????????(9)

其中，

k G ﹑b G ﹑M Y ﹑k S 和εS 与标准k ε?模型相同；k α和εα是湍流普朗特数的倒数；eff μ是修正后的湍流粘度；

R ε是漩涡修正项。 3 计算结果及分析

3.1计算模型

本文研究的某型发动机加力燃烧室几何结构模型如图1所示。在加力燃烧室结构中包含了以下主要的零组件：加力扩压器、整流支板、燃油总管、火焰稳定器、蒸发管、加力燃烧

室筒体等。

图1 加力燃烧室几何结构模型

3.2计算结果分析

数值模拟计算静压力、速度、密度、温度的结果分布图见图2～6。

1θ截面和2θ截面的静压力分布图如图2所示。由静压力分布图可知，在整个加力燃烧室中压力分布均匀，没有明显的异常变化。在火焰稳定器、燃油总管的后部存在压力较低的区域，有利于火焰的稳定与传播。气流流过火焰稳定器一段距离后，各个部分的气流进行混合，沿整个加力燃烧室压力逐渐变得均匀，经过喷管后气流压力剧降，高速喷出。

1θ截面和2θ截面的速度分布图如图3所示。由速度分布图可知，在整个加力燃烧室中整流支板、燃油总管、火焰稳定器等表面没有流动分离现象存在。在加力燃烧室筒体壁面附近和整流支板、燃油总管、火焰稳定器等后方存在部分的低速流区。特别是在传焰肋和催化

点火器的后部存在着较大的低速流动区，这样有利于稳定火焰和火焰的传播。在加力燃烧室后部的收敛段附近，气流速度逐渐变得均匀，最终在喷口高速流出。

1θ截面和2θ截面的速度矢量分布图如图4所示。由速度矢量图可知，在传焰肋、火焰稳定器和催化点火器的后方存在较强的低速回流区，回流区内发生强烈的混合作用，有利于稳定火焰和火焰的传播。而其他区域的气体仍然保持沿着轴向流动。

1θ截面和2θ截面的密度分布图如图5所示。由密度分布图可知，在整个加力燃烧室整流支板、燃油总管、火焰稳定器后部存在密度较低的区域，气流流过火焰稳定器一段距离后，由于气流流速高、压力低，仍然存在密度不均匀现象，沿整个加力燃烧室密度是逐渐趋于均匀，在喷管收敛段基本均匀。

X 1和X 2截面的温度分布图如图6所示。由温度分布图可知，在加力燃烧室点火阶段，中心点火器首先点火，然后火焰沿传焰肋向外部传播。当整个加力燃烧室稳定工作时，三圈燃油总管附近，温度梯度很大，有温度很高的火焰存在。三圈燃油总管燃油分布均匀，燃烧效果良好，壁面及火焰稳定器边缘没有异常高温火焰存在，同时也避免了烧蚀的存在。

图2 1θ截面和2θ截面的静压力分布图 图3 1θ截面和2θ截面的速度分布图

图41θ截面和2θ截面速度矢量分布图 图5 1θ截面和2θ截面的密度分布图

图6 1θ截面和2θ截面温度分布图

4结论

(1) 利用数值模拟技术，对加力燃烧室内部发生的复杂燃烧过程进行计算，是一个重要的研究手段。

(2) 通过对某型加力燃烧室进行数值模拟计算，结果表明该型加力燃烧室结构合理、流场分布均匀、燃烧性能较好，具有较高的综合性能。

(3) 应用本文的计算结果，为后续的改进、改型及解决故障提供了理论依据。 参考文献：

⑴ 严传俊，计算燃烧动力学在航空发动机燃烧室设计中的应用，中国航空学会21世纪航空动力发展

研讨会论文集，1995，9

⑵ 赵坚行，刘全忠，加力室隔热屏流场计算，工程热物理学报，1995，Vol.16

⑶ 朱祚金等，加力燃烧室单相燃烧模型及其应用，推进技术，1997，Vol.18

⑷ 张健，周力行，内外函混合加力燃烧室扩压器内液雾湍流两相流场和浓度场数值模拟，航空学报，

1989，Vol.10

⑸ 徐旭常，周力行，燃烧技术手册，北京，化学工业出版社，2008