燃烧室性能数值模拟样例文档格式.docx
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数值模拟;
流场;
NumericalSimulationofCombustorPerformanceof
CertainAero-Engine
Abstract
Thisarticleisaimedatstudyingcertainaero-engine,thistypeofcombustionchamberisannular,inordertoobtainsatisfactorysimulationresults,consideringcalculationcapacityofthecomputer,wehaveinterceptedflamecanisterfan-shapedsectionwiththreeheadsasacomputationmodel.WehaveusedGambitsoftwaretocompletethecombustionmodel,usingFluentsoftwaretosimulatethepeakloadofthisaero-enginecombustionchamberflowsandstate,toconcludetheflowfieldofcombustionchambertypicalsection,thetemperaturefield.Thentheobtainedresultsareanalyzed.Analysisshowsthatthecalculationresultsareacute,italsoshowsthatthehighesttemperatureofflameisintheaxialpositionoftheprimaryholes,theflametemperatureontheprimaryholesbegantofallafterthehighesttemperaturenearthecombustionchamber,inthefieldofoutlettemperature,thehighesttemperatureofexportsectionis1820K,theaveragetemperatureis1342K,thedistributionofthetemperatureisoveralleven.Theaveragespeedofcombustionchamberexportsis128.99m/s,thesevaluesmatchtheannularcombustionchambercombustioncharacteristics,itisvisiblethatinsomeextentnumericalsimulationcouldactualresponseinthecombustorlinerairflowstructureandburningprocess.Theseresultsprovidevaluablereferencebasisanddataforthedesign,improvement,developmentandimprovementofthecombustionchamberinthefuture-
Keywords:
combustor;
Numericalsimulation;
Velocityfield;
Temperaturefield
1绪论1
1・1引言1
1.2航空发动机燃烧室的工作情况2
1«
3)l〃y/
.3
1.4燃烧室数值模拟的现状和发展4
1.5数值分析在燃烧室模拟中的应用5
1.6本课题研究对象及内容6
2燃烧室数值模拟的数学模型及其数值解法7
2.1基本数学物理模型7
2.1.1基本控制方程7
2.1.2湍流模型9
2.1.3燃烧模型9
2.1.4辐射模型13
2.1.5微分方程组的通用形式13
2.2数值计算方法14
2.2.1三维气相燃烧流场的离散方程14
2.2.2离散化方程的求解16
3软件选择与模型建立18
3.1软件的选择18
3」」FLUENT软件18
3」.2GAMBIT软件18
3.2燃烧模型的建立及网格划分19
3・3边界条件20
4模拟结果和分析22
4.1引言22
4.2温度场模拟结果及分析23
4.3速度场模拟结果及分析27
5结论32
参考文献34
错误!
未定义书签。
1绪论
1・1引言
航空发动机被誉为飞机的“心脏”,而燃烧室是发动机的“心脏”,它同压气机、涡轮一起构成航空推进系统的三大核心部件。
它直接决定了发动机的推力以及排放物污染成分含量,发动机的可靠性、经济性和寿命在很大程度上也取决于燃烧室的可靠性和有效程度。
燃烧室用来将燃油中的化学能转变为热能,将压气机增压后的高压空气加热到涡轮前允许温度,以便进入涡轮和排气装置内膨胀做功。
本文的LI的是对某型发动机最大状态燃烧室流场温度场进行数值模拟,得出燃烧室典型截面的流场、温度场,为今后燃烧室的研制和发展提供有价值的理论依据。
航空发动机燃烧室儿何结构复杂,其主要构件有:
燃烧室机匣、扩压器、旋流器、火焰筒、燃油喷嘴、点火器等。
发动机工作时,来自压气机的高速高压的气流通过扩压器降低速度,这样有利于组织燃烧,减小压力损失。
经扩压器降低速度后的气流分流成两部分:
一部分经火焰筒头部的旋流器及其他进气孔进入主燃区,统称为第一股空气,另一部分流向火焰筒与机匣之间的通道,并从主燃孔、冷却孔、补燃孔及掺混孔进入火焰筒,统称为第二股空气。
旋流器及主燃孔逬气主要是参与主燃区的燃烧,冷却孔及掺混孔的空气作为冷却空气和掺混用气,进入掺混区与高温燃烧产物掺混,把排气温度降到涡轮叶片能够承受的程度,并获得一定的温度场分布。
燃烧室通常有圆筒形、分管型、环管型和环形之分。
本文研究的是环形燃烧室的数值模拟,环形燃烧室的结构特点:
燃烧室的内、外壳体构成环形气流通道,通道内安装的是一个山内外璧构成的环形火焰筒,因而燃烧是在环形的燃烧区和掺混区内进行。
环形燃烧室是航空涡轮发动机燃烧室的理想形式。
从上个世纪六十年代以后,环形燃烧室的布局已经成为了主流,在新研发的航空发动机上,自动的选择环形燃烧室。
例如,GE的CF6,CFM56,GE9O,F110等,P&
W的JT9D,F100,F119等,RR的RB211,Trent以及我国2005年底定型的太行发动机。
环形燃烧室的燃烧好,总压损失小,燃烧室出□流畅及温度场分布均匀,燃烧室结构简单,重量轻、耐用性好,火焰筒表面积与容积比较小,因而需要的冷却空气量比较少;
燃烧室的轴向尺寸短,有利于减小转子的跨度和降低发动机的总体重量。
但山于大型发动机环形燃烧室的研制需要大型的实验设备,使得这种形式的燃烧室在大型发动机上应用最晚。
燃烧室的工作条件十分恶劣。
燃烧过程是在高速气流(100~50m/s)和贫油混合气中进行。
燃烧室的零件是在高温、高负荷下工作,承受着由气体力、惯性力产生的静载荷和振动载荷,燃烧室壳体是发动机主要承力件。
燃烧室的零组件主要是薄壁件,工作中时常出现翘曲、变形、裂纹、掉块、积炭、过热、烧穿等故障。
为此,燃烧室的设计应满足以下主要要求:
(1)在飞行包线内,在发动机一切正常工作状态下,燃烧室应保证混合气稳定而安全地燃烧,具有高的完全燃烧系数和低的压力损失系数;
(2)燃气的火舌要短,出口气流总温不但受到涡轮叶片材料耐热性能的限制,而且出口的燃气温度场沿圆周要均匀,沿叶高应保证按涡轮要求的规律分布;
(3)燃烧室的零组件及其连接处应具有足够的强度和刚性,良好的冷却和可靠的热补偿;
(4)燃烧室的外壳尺寸和重量要小,有着高的容热强度;
(5)燃烧室的结构要简单,有良好的使用性能。
在地面和在空中启动可靠,排气污染小,维护检查方便,使用期限长。
为确保燃烧室在任何工况下都能稳定而乂经济地燃烧,在现有的燃烧室设汁中,对气流流动过程的组织,儿乎都采取了以下儿方面措施:
(1)釆用扩压器,使进入燃烧区的气流速度从压气机出口的120〜180m/s降到30~50m/s,
以减少气流的压力损失;
(2)采取气流“分流”的办法,以提高燃烧区的温度,并使冷却和掺混用气得到保证。
这样,燃烧室就能在较大的总余气系数下工作,满足稳定燃烧和涡轮叶片温度限制两方面的需要;
(3)采用火焰稳定器,使在燃烧区内能够形成一个特殊的气流结构,为稳定火焰创造条件。
广泛采用的旋流器就是一种典型结构。
1.2航空发动机燃烧室的工作情况
航空发动机的燃料是液体燃料,燃料首先经过喷嘴雾化成很细的油滴,在喷嘴附近的燃烧空间中,形成一股LU无数的油滴组成的中空的锥形燃料流,并且山于气流径向速度的作用,燃料流的中空锥体还会逐渐扩张。
这样,大部分燃料正好集中在位于火焰筒外侧的新鲜空气中,有利于形成燃料与空气的可燃混合物。
当空气从火焰筒头部进入,燃料从喷嘴喷入后,空气与油雾迅速掺混,在火焰筒外侧形成可燃混合物,由放置在头部的点火器对其点燃。
燃烧过程中,油滴首先受热蒸发,逐渐在油滴表面附近形成燃料蒸汽层。
燃料蒸汽与空气混合,当燃料浓度在可燃范围内即发生燃烧。
燃烧主要在火焰筒头部发生,燃烧后的混气山于气流运动向下游移去,环腔内的空气经掺混孔和冷却孔进入火焰筒,与混气混合,降低混气温度,得到一定的出口温度场分布。
燃烧室工作时,火焰筒存在流体动力过程,燃油雾化、运动、蒸发、掺混过程,燃烧过程,传热过程以及冷、热气流掺混过程等,并且这些物理化学变化相互矢联相互影响。
气体的流动、燃油的喷射及液滴蒸发的快慢影响着燃气的掺混及浓度,而燃气的掺混、浓度等乂与燃烧的进行有矢。
燃烧的发生使燃烧室内的温度、压力发生变化,从而乂影响着气体的流动、液滴的蒸发速度等。
燃烧室的数值计算包括多种物理化学变化的计算,Lh于各物理化学变化之间的相矢性,使得燃烧室数值计算非常复杂,一个计算模型选用不当或考虑不周全就可能会导致计算结果的失真。
1.3燃烧室的研究方法
山于发动机燃烧室的工作研究具有相当重要的现实意义,国内外很早就开展了对它的研究。
归纳起来,研究方法可分为两种:
(1)试验法。
由于燃烧室中的燃烧过程非常复杂,包括气体流动和掺混、燃油雾化蒸发和混合、化学反应、燃气的辐射和对
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- 燃烧室 性能 数值 模拟