基于串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)截面參數(shù)計(jì)算

基于串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)截面參數(shù)計(jì)算

0燃燒與燃燒的模擬研究作為一種新型的壓縮式發(fā)動機(jī)，sdcc具有比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)更寬的飛行范圍、比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)更大的比沖、傳統(tǒng)碳?xì)淙剂虾透玫慕?jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)?？勺鳛樗街逻h(yuǎn)推進(jìn)車輛的交通工具，使用相鄰空間飛機(jī)、空天入軌飛機(jī)和遠(yuǎn)程高速低速飛機(jī)，以適應(yīng)空天綜合飛機(jī)的發(fā)展趨勢。TBCC已成為各國公認(rèn)的空天飛行器動力裝置未來發(fā)展方向之一,一般分為串聯(lián)和并聯(lián)2種結(jié)構(gòu)形式。在串聯(lián)式TBCC中,加力/沖壓燃燒室(以下簡稱燃燒室)如何在TBCC各工作模態(tài)下,高效組織燃燒是該類型TBCC研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在低速飛行時,渦輪發(fā)動機(jī)通道(內(nèi)涵)和沖壓發(fā)動機(jī)通道(外涵)的壓差很大,要通過空氣調(diào)節(jié)裝置將沖壓發(fā)動機(jī)通道關(guān)閉,發(fā)動機(jī)完全以燃?xì)鉁u輪模態(tài)工作,此時,燃燒室具有渦輪發(fā)動機(jī)加力燃燒室的特性。同樣,在高馬赫數(shù)條件下,氣動加熱對渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)有重大影響,為了避免發(fā)動機(jī)受到破壞,空氣調(diào)節(jié)裝置將渦輪發(fā)動機(jī)通道關(guān)閉,使渦輪發(fā)動機(jī)通道與沖壓發(fā)動機(jī)通道隔離,此時,發(fā)動機(jī)完全以沖壓模態(tài)工作,燃燒室具有亞燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室的特性。由于渦輪、沖壓2種模態(tài)轉(zhuǎn)換過程無法在瞬間完成,另外,為避免發(fā)動機(jī)推力在轉(zhuǎn)換中劇烈波動,對發(fā)動機(jī)2個模態(tài)之間的轉(zhuǎn)換采用逐漸過渡的方式(模態(tài)轉(zhuǎn)換)。因此,在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中內(nèi)、外涵氣流經(jīng)過摻混后進(jìn)入燃燒室。采用3維CFD數(shù)值模擬的方法,可以對燃燒室工作過程進(jìn)行全面細(xì)致的研究。此外,燃燒室內(nèi)放置火焰穩(wěn)定器等阻塞部件,為流場研究帶來一定困難,采用3維CFD數(shù)值模擬的方法,可以幫助篩選燃燒室設(shè)計(jì)方案。本文基于小型遠(yuǎn)程高速飛行器對TBCC的需求,開展了小型TBCC燃燒室研究,采用CFD技術(shù)對TBCC不同模態(tài)燃燒室內(nèi)部流動及燃燒過程進(jìn)行了模擬和分析,并對含單環(huán)和雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室性能進(jìn)行了比較。1單環(huán)火焰平衡器的內(nèi)部燃燒流動和燃燒模擬1.1燃燒模態(tài)及邊界條件燃燒室內(nèi)部流動復(fù)雜,無論試驗(yàn)還是理論研究都有很大困難。CFD的不斷發(fā)展為研究工作開辟了新的道路,把擴(kuò)壓器和燃燒段作為1個整體,模擬了燃燒室在不同模態(tài)下的工作過程。在3維CFD模擬之前,有必要對計(jì)算模型進(jìn)行一定簡化,簡化原則是抓住影響流場特征的主要因素。為簡化計(jì)算,將TBCC內(nèi)涵熱氣流成分簡化為熱空氣。燃燒室的關(guān)加力模態(tài)是冷態(tài)流場,即單相流場。湍流模型采用κ-ε模型的氣相N-S方程。燃燒室的開加力、模態(tài)轉(zhuǎn)換、沖壓模態(tài)均涉及燃燒,屬于2相流場,在計(jì)算時需要加入相關(guān)組分方程、離散相液滴方程等。燃燒模型采用基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的渦耗散概念模型。燃燒室3維CFD模擬所涉及的邊界條件有以下幾類:進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件。燃燒室進(jìn)口(即擴(kuò)壓器進(jìn)口,燃燒室包括擴(kuò)壓器和燃燒段,氣體經(jīng)擴(kuò)壓器減速增壓后進(jìn)入燃燒段燃燒)選取壓力進(jìn)口邊界條件,出口選取壓力出口邊界條件,壁面邊界條件采用無滑移邊界條件。由0維程序計(jì)算(考慮了來流和燃燒室下游阻塞條件)的燃燒室進(jìn)口參數(shù)見表1,表中選取了TBCC沿飛行軌跡工作不同模態(tài)的4個工作點(diǎn)。在不同模態(tài),燃燒室要能夠在內(nèi)涵熱氣流、內(nèi)、外涵摻混、外涵冷氣流等來流條件下穩(wěn)定工作,區(qū)別于傳統(tǒng)的加力燃燒室和沖壓燃燒室的標(biāo)志。燃燒室出口參數(shù)(0維程序計(jì)算結(jié)果)見表2。含有單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口(此時燃燒室長度LT=4.1929)參數(shù)CFD模擬結(jié)果見表3。1.2不同模態(tài)下燃燒特性對比由表2和表3對比可見,關(guān)加力模態(tài)是單純的氣體流動模擬,不涉及燃燒模擬,氣體流動過程中僅產(chǎn)生流動損失,所以CFD模擬結(jié)果與0維程序計(jì)算的結(jié)果(見表2)吻合較好。然而,對于其他3個模態(tài)燃燒室出口的總溫和馬赫數(shù)來說,CFD模擬結(jié)果與0維程序計(jì)算結(jié)果有一定差異。在開加力模態(tài)燃燒室進(jìn)口氣流溫度較高,燃油在火焰穩(wěn)定器前方蒸發(fā)度可達(dá)80%以上,比較容易組織燃燒,此外,當(dāng)進(jìn)行CFD模擬時,設(shè)置進(jìn)入燃燒室的氣流為熱空氣,其含氧量高于渦輪出口燃?xì)獾?導(dǎo)致開加力模態(tài)3維CFD模擬得出燃燒室出口總溫高于0維計(jì)算結(jié)果;在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中,沖壓外涵通道打開,燃燒室進(jìn)口有冷氣流入,因此,進(jìn)口氣流溫度低,燃油在火焰穩(wěn)定器前方的蒸發(fā)度較低,此外,冷、熱氣流摻混造成一定總壓損失,致使燃燒組織比較困難;在沖壓模態(tài)下,進(jìn)入燃燒室的氣流全部為經(jīng)沖壓外涵壓縮的空氣,氣流溫度相對較低,導(dǎo)致燃油蒸發(fā)度很低,燃燒效率不高。0維程序僅能計(jì)算燃燒室進(jìn)口和出口氣動參數(shù),進(jìn)、出口截面的總壓損失、溫升等系數(shù)均由燃燒室特性圖給出,并不涉及火焰穩(wěn)定器放置、燃油噴射等因素對出口溫度的影響。這些都是造成0維程序計(jì)算和3維CFD模擬結(jié)果有差異的原因。但從發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)角度以及燃燒室內(nèi)部流動、燃燒機(jī)理研究等方面來說,這種采用0維程序計(jì)算結(jié)果作為3維CFD模擬輸入的研究方法是可行的。燃燒室在不同模態(tài)下工作的內(nèi)部流動馬赫數(shù)分布如圖1所示。從圖1(a)中可見,擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流速度較高,氣流通過擴(kuò)壓器后減速增壓,火焰穩(wěn)定器對氣流的擾動形成有利于火焰?zhèn)鞑サ牡退倭鲃訁^(qū)。擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流分為綠色和藍(lán)色2路,如圖1(c)所示,其中流速較高的綠色氣流為沖壓外涵氣流、流速較低的藍(lán)色氣流為渦輪內(nèi)涵氣流。擴(kuò)壓器中藍(lán)色區(qū)域?yàn)闇u輪內(nèi)涵流道,如圖1(d)所示,沖壓模態(tài)下該區(qū)域關(guān)閉,氣流沿外涵直接流入擴(kuò)壓器。燃燒室在不同模態(tài)下工作的內(nèi)部總溫分布如圖2所示。從圖中可見,擴(kuò)壓器出口處(發(fā)動機(jī)中心錐后部)氣流流速較低,利于火焰?zhèn)鞑?而且,此處因局部富油,導(dǎo)致溫度較高?；鹧娣€(wěn)定器對氣流的擾動形成有利于發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑サ臍饬鞯退倭鲃訁^(qū),此類區(qū)域總溫較高。從圖2(b)中可見,來流為渦輪出口的熱氣流,且集中在燃燒室中部區(qū)域,有利于燃燒。從圖2(c)中可見,來流為內(nèi)、外涵不同速度的熱、冷氣流,2股氣流摻混后進(jìn)行燃燒,對燃燒效率會產(chǎn)生一定影響。從圖2(d)中可見,內(nèi)涵關(guān)閉,來流為外涵冷氣流,沿著壁面區(qū)域流入(圖中燃燒室進(jìn)口深藍(lán)色區(qū)域),且分散在燃燒室壁面區(qū)域,燃燒室中部溫度較低,導(dǎo)致燃燒室出口總溫較低。此外,由于內(nèi)涵關(guān)閉,一部分外涵來流在內(nèi)涵進(jìn)口區(qū)域減速(圖中燃燒室進(jìn)口淺綠色區(qū)域),此處氣流總溫升高。燃燒室在不同模態(tài)的內(nèi)部流動總壓分布如圖3所示。從圖3(d)中可見,擴(kuò)壓器中紅色區(qū)域?yàn)橥夂錃饬?、黃色區(qū)域?yàn)閮?nèi)涵熱氣流、冷熱氣流在擴(kuò)壓器中混合造成一定總壓損失?；鹧娣€(wěn)定器對氣流的擾動也形成總壓相對較低的區(qū)域,如圖3(a)所示。另外,火焰穩(wěn)定器處的燃油燃燒也會降低總壓。2燃燒和燃燒時間的影響不同環(huán)數(shù)火焰穩(wěn)定器對燃燒室長度的影響如圖4所示。在燃燒室半徑和火焰?zhèn)鞑ソ嵌纫欢ǖ那闆r下,火焰穩(wěn)定器環(huán)數(shù)越多,燃燒室長度越短。此外,為提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性,火焰穩(wěn)定器往往采用多環(huán)形式。以下研究含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器燃燒室的內(nèi)部流動、燃燒過程。含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室進(jìn)口參數(shù)見表1?；贑FD模擬得到的含有雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口(此時整個燃燒室長度為LT=2.4729)參數(shù)見表4。對含有雙環(huán)火焰穩(wěn)定器和含有單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室CFD模擬結(jié)果進(jìn)行對比可以看出,二者的出口參數(shù)相差不大,但雙環(huán)火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)可以有效縮短燃燒室長度、減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量,然而燃燒室出口總溫和馬赫數(shù)依然與0維程序計(jì)算結(jié)果依然有出入,原因同第1.2節(jié)。提高燃燒效率的方法之一是增加燃燒室的長度。隨著燃燒室長度的增加,燃燒效率提高,燃燒室溫度升高,將含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口截面延長至LT=4.1929(含單環(huán)火焰穩(wěn)定器燃燒室長度)處,其出口參數(shù)CFD模擬結(jié)果見表5。從表中可見,延長燃燒室長度有利于燃燒和提高燃燒室出口的總溫,在同樣長度下含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室出口總溫高于含有單環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室。延長燃燒室出口截面至4.1929m處的CFD數(shù)值模擬結(jié)果與0維程序計(jì)算結(jié)果更接近。含雙環(huán)火焰穩(wěn)定器的燃燒室內(nèi)部流場馬赫數(shù)、總溫、總壓分布如圖5~7所示。3燃燒過程模擬系統(tǒng)的數(shù)值分析以0維串聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)性能計(jì)算程序在關(guān)加力模態(tài)、開加力模態(tài)、模態(tài)轉(zhuǎn)換和沖壓模態(tài)計(jì)算的主要截面參數(shù)為進(jìn)口條件,對燃燒室內(nèi)部流動、燃燒過程進(jìn)行模擬。得出以下結(jié)論:(1)3維CFD模擬是對0維程序計(jì)算的補(bǔ)充,采用3維CFD數(shù)值模擬能夠直觀表現(xiàn)出燃燒室內(nèi)部摻混、流動、燃燒過程。從渦輪沖壓發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)的角度考慮,采用3維CFD數(shù)值模擬方法能夠給出