RQL模型燃烧室流动场的数值研究

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1、2010年8月沈阳航空工业学院学报Aug．2010第27卷第4期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringV01．27No．4文章编号：1007—1385(,2010)04—0027—05RQL模型燃烧室流动场的数值研究王丹丹王成军吴振宇(沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳110136)摘要：研究低污染燃烧富油燃烧／快速淬熄／贫油燃烧(RQL)技术，根据其技术关键点设计初步的模型燃烧室。并对孔位置和淬熄段的流动面积对流场影响进行数值模拟，同时根据模拟结果对燃烧室进行了优化设

2、计；得出孔位置在：=100ram到120ram处较好，缩颈结构有利于NOx减低。计算中入口边界参数采用质量流量入口，考虑了湍流化学反应、热辐射等模型。关键词：RQL；燃烧室；数值研究中图分类号：V233．74-5文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．I007—1385．2010．04．007随着航空业的迅速发展，要求高性能，低污染的动力装置来满足新一代飞机的要求。NOx是主要的污染物，而且破坏大气中的臭氧层。世界各国都对低污染燃烧枝术进行广泛的研究，发展了不少低污染燃烧技术。如分级燃烧技术、贫油预混预蒸发燃烧室(Leanprem

3、ixedprevaporized，LPP)、催化燃烧以及变几何燃烧室(Variablege—ometrycormbustor，VGC)，富油燃彬快速淬：影贫油燃烧(硒ch—bum，quick—mix，lean—burn，RQL)等。这些改进减少了污染排放并且有许多已成功用于生产之中。RQL技术是世界上公认的能够大幅度降低燃烧室污染排放的燃烧技术之‘‘一ORQL燃烧室空气沿轴向分级方法，如图l所示：将燃烧所需的空气分两级送人：富燃区内，由于氧浓度和燃烧温度降低抑制了“燃料”NO生成；在快速掺混区，二次空气引入逐渐与燃料进行混合，燃烧速度降低，使

4、燃烧温度也降低，从而抑制“热力”NO的生成⋯。RQL燃烧室的实现的技术关键点是：(1)在R区(化学当量比=1．2一1．8)，保证混合物的均匀混合及避免的冷却问题，不能使用气膜冷却，避开化学当量比区域；(2)优化淬熄段的混合，确保圈1RQL燃烧窒模型燃气与射流空气快速混合流向L区(化学当量比=0．5一O．7)，进行贫油燃烧；Q区是连接R区燃烧和L区燃烧的关键所在。国外对RQL做了大量的实验和数值计算进行研究。P．Weigand等人通过试验对比不同旋流数的空气雾化喷嘴模型，以更好的理解火焰的物理化学特性；基于试验数据进行优化燃烧模型¨o。Jame

5、sD．Holdema和ClarenceT．Chang针对不同数目的射流孔和空气的预热对掺混效果和NOx的排放影响进行了试验研究pJ。O．Diers，J．Koopman等人在常压下对两种矩形截面的燃烧室进行冷却方法的试验研究，一种采用发散冷却，另一种采用冲击冷却。实验发现冷却方法与射流混合和污染物的排放有关HJ。根据RQL技术要求，初步设计模型燃烧室，主要优化淬熄段孔位置及缩颈结构对NOx的影响。收橘日期：20lO—05一lO作者简介：王丹丹(1986-)，女，J27营nA，在读研究生，主要研1数值模型及数值方法究方向：航空发动机燃烧技术与分析

6、技术，E—mail：honeydam-dam2008@yahoo．。。．王成军(1967一)，男，辽宁沈阳人，博士，副1．1燃烧室的初步设计教授，主要研究方向：燃烧及两相流，E—mail：wangchengjun22@由于总的热功率是3000KW，选取热效率Q瞰眦一。及燃料的低热值／／u(甲烷)，可知：沈阳航空工业学院学报第27卷g=Q／Hu=o．39Kg／s(1)富油区油气比，=咖·厶根据公式G¨=孚(2)可知富油区空气量瓯．，是4．6，总的空气量E．。是14．7。根据小≮尘浮㈩c可=等等㈩c可21—F”)可知．参考面积A一=O．1739m

7、2，参考速度c村=15．75m／s风=√子(A呵+了'ITDi)(5)。。=压+堡mb(6)则根据选取最小燃烧室的最小截面直径D。=250ram，选择适当分割比m。=1．2，可知Do=533mm，D。=397mm。选取A／A耐=0．65，可知火焰筒的外径和内径风别是487mm和306ram。最终确定选取24头部，选取燃烧室的3个矩形头部作为计算域，燃料为甲烷，轴向旋流器。模型总长L=300ram，腔高H=90mm。采用四面体网格，其模型结构的尺寸和网格划分如图2和图3所示：图2计算模型1．2数学模型1．2．1湍流模型由于模型内的流动包含射流和

8、混合流，有很多回流区，并且回流区的大小差别也很大。选择使用Realizable后一8模型。Realizablek一占模型中，关于I

9、}和占的方程分别为：’t乙z图3