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1、中国航空学会第卜三届燃烧与传热传质专业学术讨论会 C S A A 2 0 0 5 - P C 舶3 火焰筒壁温三维数值模拟 刘振侠吕亚国廉小纯 ( 西北工业大学动力与能源学院西安7 1 0 0 7 2 ) 摘要：本文考虑了流场变化对换热的影响，发展了流周一体化的方法，对某型燃烧室整个 流场、温度场进行完全的数值模拟。该方法对流场和固壁内换热的计算同时进行得出了 了三维小发回流燃烧室壁温分布。计算中，对完全发展的湍流燃气采用了标准“k 一占一 湍流模型运用D O 模型计算了燃气的热辐射燃烧模型使用涡耗散模型来计算化学反应 速度固壁材料使用了变比热和变导热系数。数值模拟结果表明该方法对流场与固壁相
2、互 作用得更充分，能更为精确地反映流场和温度场的整个的形态，可以模拟出更为合理的整 个流场和温度场分布以及相应的流动换热特性。 关链词：流固一体化燃烧室， 火焰筒壁温，数值模拟 N u m e r i c a lC a l c u l a t i o no f T h eT h r e e d i m e n s i o n a lW a l l T e m p e r a t u r eo f T h ec o m b u s t i o nc h a m b e r L i u z h e n x i aL v Y a G u oL i a n X i a o C h u n ( C o
3、l l e g eo f P o w e ra n dE n e r g y , N o r t h w e s t e r n P o l y t e e h n i c a l U n i v e r s i t yX i 7 1 0 0 7 2 、 A b s t r a c t ：T op r e d i c tt h r e e - d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fac o m b u s t i o n c h a m b e rw a l l 。am e t h o do f
4、c o u p l i n gs o l i da n df l u i dw a sp r e s e n t I nt h ec a l c u l a t i o n 。 t h e 一d o u b l e - e q u a t i o nm o d e lf o rt u r b u l e n c e ，D O ( D i s c r e t eO r d i n a t e s ) r a d i a t i o n m o d e If o rh e a tr a d i a t i o nw e r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t
5、i o n a n dE d d y D i s s i p a t i o nm o d e l w a su t i l i z e dt oa s s e s sc h e m i c a lr e a c t i o ns p e e d v a r i a b l es p e c i f i ch e a ta n dv a r i a b l e c o e f f i c i e n to f t h e r m a lc o n d u c t i v 畸w e r ee m p l o y e df o rs o l i d F i n a l l y ，t h ef l
6、o wf i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f c rw e r eo b t a i n e d w h i c hw e r ea g r e ew i t ht h er e a l i t y K e yw o r d s ：c o m b u s t o rc h a m b e r , w a l lt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o nl
7、i n e r ，n u m e r i c a l c a l e u l a t i o n 引言 航空发动机中传统的火焰筒壁温计算是根据冷态测试结果给出气膜孔的流量分 配系数：分别计算火焰筒内外流场；根据流动条件选定壁面与流体的对流换热的经 验公式由此计算出火焰简的壁温分布。这种方法并没有考虑流场变化对换热的影 响。本文以F L U E N T 为平台在燃烧宣的热分析中对整个流场、温度场进行完全的 数值模拟。这种方法对固壁的传热分析不再是孤立进行的而是将流场和固壁内换 热的计算同时进行。这样在求解的过程中，流场与固壁相互作用得更充分，能更精 确地反映流场和温度场的整个的形态。 4 3 2
8、 中国航空学会第十三届燃烧与传热传质专业学术讨论会 C S A A 2 0 0 5 - P C 0 6 3 图l 计算模型图 1 、网格划分及计算模型的建立 本文旨在对小型回流燃烧室火焰简壁面温度分布的三维特性进行计算。选取火 焰筒和内外环冷却通道的1 1 4 ( 约2 5 7 1 4 度扇形角) 进行建模并且略去了大弯管 处发汗冷却的小孔。计算的模型如图l 所示。 1 1 网格划分 本文中由于结构上的复杂性，本文对计算区域使用T g i r d 方法生成非结构的四面体 网格。 在网格生成的过程中，对于局部区域进行加密，以保证计算的精确。由于气膜孔的 直径较小( 最小的直径只有1 4 m m
9、) 为了充分考虑了气膜孔的影响在气膜孔处加密， 在最小的气膜孔处保证至少有5 个网格节点。整个计算域的网格大约l 驴万。以下是火 焰简壁的网格图： 图2 流体域及固体域计算网格图 1 2 控制方程 本文计算是将流体和固体作为一个统一的整体计算求解，因此使用统一形式的控 中国航空学会第十三届燃烧与传热侍质专业学术讨论会 C S A A 2 0 0 5 P C 0 6 3 制方程”“： 言( 以。) = 杀 k 詈 + 式中r o 是名义扩散系数，P 是流体密度- U 为速度z 为坐标S o 为源项。凡是 不能归入名义对流或扩散的项，一律井入源项8 。 1 3 湍流模型 本文使用标准k s 模型，
10、该模型适合完全发展的湍流嘲。 掣= 冰 L 唰, 7 叫。堡7 一肛 篙掣= 毒 ( + 等 毒卜妻 ，G q 胆， 上两式中， G 叫f 誓+ - 抛鬲- 慨( f = 1 2 ，3 ) m - 焉- L 盘一J 其中模型常数根据文献 2 】给出 1 4 辐射模型 本文中所使用的辐射模型是离散坐标模型- 该模型是将辐射能交换方程中的角积分 近似的用一数值求积方法算出。1 。离散坐标方程为： 爵罢+ 丝r 旦O r ) 一7 1 瓦0 白，) = 一日+ 足譬 瓦= K 口：。一4 K 打4 1 1 1 1 5 燃烧模型 本文中使用涡耗散模型吼该模型中反应r 中物质f 的产生速率且由下面两个表
11、达 式中较小的一个给出： 曩，= v ：几加吲商a 中国航空学会第十三届燃烧与传热传质专业学术讨论会 C S 从2 0 0 5 P C 0 6 3 曩，叫以胁妻最 其中y _ 生成物组分P 的质量分数 k 特殊反应物R 的质量分数 A 经验常数取为4 0 口经验常数取为0 5 在上述两个方程中，化学反应速率由大涡混合时间尺度k 控制，只要湍流出现 ( 七饽 o ) 燃烧即可进行，不需要点火。 1 6 边界条件及材料属性 入口处。使用速度入口边界条件来流速度3 3 5 r i f f s 总温6 3 3 5 k ，出口处采用 压力出口，出口处反压1 0 7 4 0 0 0 P a 回流温度设定的
12、是9 0 0 k 。燃料的喷出速度2 0 r n s 。 由于模型的对称性，两侧的边界条件为对称边界条件。 本计算中火焰筒壁材料使用的是G H 3 0 4 4 。其密度为8 8 9 0 k g m J , 使用变导热率和变 比热容导热率和比热容的多项式格式是根据文献三次插值得到，结果如下： 五仃) = 1 5 7 8 0 7 0 0 0 7 3 8 9 4 9 T + 0 0 0 0 0 1 0 1 5 5 6 T 2 + 1 9 0 8 0 4 + 1 0 9 T C 仃) = - - 4 - 6 1 9 9 3 + 3 0 7 8 8 3 T - 0 ，0 0 3 2 3 0 5 T 2
13、4 - 1 1 6 6 6 7 1 0 4 T 3 1 7 数值计算方法 本文采用分离隐式稳态求解器求解三维N a v i e t - S t o k e s 雷诺时均湍流方程，速度和压 力耦合采用S I M P L E 算法处理各参数的离散均采用二阶精度的迎风格式。压力修正方 程、连续方程、动量方程、t 和r 方程都实施亚松弛以保证控制方程组的收敛。判定解 的收敛标准时能量方程的相对残差R l 1 0 。和进出口的质量守恒。 3 、计算结果及分析 1 ) 从总的计算结果来看，越靠近火焰筒头部壁面温度越高。这说明高温燃气是壁温升 高的主要热量来源。从图3 可以看出壁温分布有明显的三维特性这是受
14、火焰筒头 部进气的不均匀性以及火焰筒壁面的掺混孔、冷却孔的影响所致。 2 ) 图4 是入射辐射量的分布图4 的分布和图3 的分布很类似，这说明燃气温度高的 区域，相对应的壁面的入射辐射也越强烈因此壁温也就越高。 3 ) 图5 、图6 所展示的为内外环的中间气膜段燃气侧的温度分布，可以看出温度分布 依然呈现明显的三维特性。图5 中对应位置的温度明显高于图4 这说明冷却气流 沿途被加热冷却能力下降。 4 ) 图3 、图5 、图6 中有一个共同的特点：越接近冷却孔和掺混孔的地方温度相对较低， 越远离孔，温度相对就高；孔越密集的地方温度相对低而孔稀疏的地方G g 管孔 的面积大) 温度则相对较高。这说
15、明冷却孔和掺混孔的确起到了冷却壁面的作用 中国航空学会第十三届燃烧与传热传质专业学术讨论会 CS J A 2 0 0 5 P C 0 6 3 并且小而密的孔冷却效果要好。 5 ) 从图7 看出沿燃气侧外环壁面上一条穿过大小相问的几个孔的线上的温度呈波浪形 分布，并且温度逐渐升高这与火焰筒的冷却结构是一致的。冷气刚进入时冷却 能力强，因此第一个气膜段的温度相对较低。断开处是掺混孔和j f 争却孔的位置可 以看出孔周围的温度相对要低。每一气膜段中相对最低温度都出现在后部这是因 为后部有密集的小孔，这说明小孔对壁面的冷却作用是显然的这一点与3 ) 中分 析的是一致的。 6 ) 图8 、图9 是流体域
16、中x = O O ? 5 r a 截面的速度和温度的等值线图。该截面刚好穿过 壁面外环第一个气膜段中的掺混孔。从图8 中看出速度有些地方是正值有些地方是 负值，这说明冷气和燃气有明显的掺混现象冷气的进入对燃气造成扰动有利于组 织燃烧。图9 中，外环的冷却气体温度是6 3 4 2 7 k 而内环的是B O O k 这说明冷气 沿途被加热，对壁面起到了冷却的作用同时冷气本身的冷却能力被削弱因此该 截面上火焰筒的最高温度出现在中闻偏下的地方。 7 ) 毗上所分析的从图1 0 、图1 1 中更加显而易见的体现出来。图1 0 中火焰筒中间偏 头部的部分气体的掺混很剧烈，因此图l l 中对应部分温度是最高的。这说明冷气的 掺混有利于组织燃烧。 4 、结论 本文利用F L U E N T 对小发回流燃烧室流场及壁温进行了三维
