交叉射流对燃烧室流场特性的影响

文章基于文献[1]设计的对撞射流燃烧室，结合文献[3]中的交叉射流，研究燃烧室二次流射流角度对流场结构的影响。

1 计算模型与计算工况

1.1 计算模型

燃烧室几何结构如图1所示，部分尺寸参考文献[2]，燃烧室总长400mm，直径80mm，距离头部壁面60mm处周向均布4个二次流喷管，燃油雾化采用射流式空气雾化喷嘴，模型网格使用ICEM软件所画，网格质量均在0.6以上。

数值计算采用不可压N-S方程，湍流模型采用the Realizable κ-？着模型，采用标准壁面函数法近壁面处理，壁面均设为无滑移边界条件，燃烧室进口边界条件采用速度入口，出口边界条件采用压力出口。

1.2 计算工况

主要工况参数与文献[2]一致，主流空气流量为1.2kg/h，二次流流量为33.5kg/h。燃油从燃烧室头部中心的空气雾化喷嘴中喷入。图2所示为角度示意图，表1所示4种工况为二次流不同的射流角度（逆时针喷射）。其中轴向角度β固定为20°

2 计算结果与分析

2.1 流场分布规律

对于流场的分析，均取通过喷管中心的纵截面，即x=0处的对称中心面。二次流不同喷射角度对流场分布规律的影响如图3所示。

从图3中可知，從z=0到z=60mm之间的头部区域，由Case A 的对撞射流变化到Case B的交叉射流，头部区域流场变化较大，Case A头部出现两对对称小涡旋区，而Case B则变成一对大涡旋区。随着角度变大，Case C 与Case D头部涡旋区逐渐变小，并且涡旋中心向壁面靠近。在喷管后的掺混段，Case A中出现一对靠近壁面的涡旋区，低速的涡旋区能使燃油快速燃烧，因此在该区域会产生局部高温区，这对燃烧室壁面不利。而Case B中的一对涡旋区则靠近中心区域，旋流产生的气流将涡旋区与壁面隔离，防止壁面被高温燃气烧裂。随着角度逐渐变大，Case C 与Case D掺混区的涡旋区逐渐变细长，并且逐渐向壁面靠近，大部分气流从中心流过，不利于油气掺混及火焰稳定燃烧。

2.2 湍动能分析

图4表示二次气流不同喷射角度湍动能分布图，主要来源于时均流，通过雷诺切应力做功给湍流提供能量。比较图4各工况的湍动能变化情况，湍动能均沿轴线成对称分布，随着周向角度不断增大，在x=0的纵截面上，高强度的湍动能区域从对称中心向壁面迁移。

3 结束语

通过改变二次流喷射角度，数值分析其对燃烧室流场产生的影响。可以得出以下结论：（1）随着二次流周向角度由0度增加到10度时，射流方式由对撞射流变为交叉射流，燃烧室头部涡旋区范围变大，掺混区涡旋变宽，然而湍动能的最大值降低，湍流区域逐渐向壁面靠近。（2）当二次流周向角度由10度增加到30度时，燃烧室头部涡旋区范围逐变小，掺混区涡旋变细长，湍动能的最大值逐渐减低，湍流区域逐渐向壁面靠近，不利于油气掺混，流场趋向不合理。

参考文献

[1]Tehrani F B，Zeinivand H. Presumed PDF modeling of reactive two-phase flow in a three dimensional jet-stabilized model combustor[J]. Energy Conversion and Management，2010，51（1）：225-234.

[2]Zeinivand H，Tehrani F B. Influence of stabilizer jets on combustion characteristics and NOx emission in a jet-stabilized combustor[J]. Applied Energy，2012，92：348-360.

[3]Watanabe H，Suwa Y，Matsushita Y，et al. Numerical investigation of spray combustion in jet mixing type combustor for low NOx emission[J]. Energy Conversion and Management，2008，49（6）：1530-1537.

[4]Watanabe H，Suwa Y，Matsushita Y，et al. Spray combustion simulation including soot and NO formation[J]. Energy Conversion and Management，2007，48（7）：2077-2089.

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