2010年10月沈阳航空工业学院第27卷第5期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringOct.20l0
V o1.27No.5
文章编号:1007—1385(2010)05—0038—04
三级旋流器的设计及其流场模拟
吴振字王成军王丹丹
(沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，辽宁沈阳110136)
内孔撑圆涨紧夹具摘要：利用UG软件建立三级旋流器模型燃烧室的几何模型，采用四面体非结构网格划分方 氧氟沙星甘露醇
法，生成网格计算模型，应用Realizablek一8湍流模型对该模型燃烧室的冷态流场进行数值模
拟.研究结果表明：与旋流器其它参数相比，各级旋流器之间的流量分配对三级旋流器的流场特
性(如回流区范围和中心速度分布)有较大的影响.深化了对三级旋流器各种设计参数的认识,
升华仪有助于实现三级旋流器的进一步优化设计.
关键词：航空发动机；燃烧室；数值模拟；三级旋流器
中图分类号:V231.2文献标识码:A
doi:10.3969/j.issn.1007—1385.2010.05.009
旋流器是航空发动机燃烧室的基本构件之
一
使热燃气回流，产生稳定点火源.根据级数的不
同，旋流器可分为单级，双级及多级(三级)等几
类.目前，先进的航空发动机如CFM56,GE90,
F101等均采用了双级旋流器.近年来，国内外对
rvpn
三级旋流器开展了大量研究，结果表明：采用多级
旋流器的燃烧室具有火焰稳定工作范围宽，燃油
盲区监测雾化效果好，燃烧效率高，污染排放低等优
点¨I6J.本文在对三级旋流器进行初步设计的基
础上，用数值模拟的方法研究旋流器的各种参数
对旋流器出口流场的影响，以实现旋流器优化设
计的目标.
1三级旋流器的设计要点
就设计步骤而言，多级旋流器的设计与单级
旋流器的设计是相同的，都是通过流阻系数和
旋流数.s计算出叶片安装角及旋流器的通道面
积，进而确定旋流器的内外径，叶片数以及叶片宽
度等参数【卜.但是，多级旋流器的设计应特别
注意以下几点:
第一，选定各级旋流器的形式.三级旋流器
收稿日期:2010—07—12
作者简介：吴振宇(1982一)，男，山西原平人，在读研究生，主要研究方向：航空发动机燃烧设计与分析技术;E—mail:200805078@ ；王成军(1967一)，男，辽宁沈阳人，副教授，主要研究方向：燃烧及两相流.
的选形要充分注意各级旋流器之间以及旋流器与
喷嘴及套筒的尺寸匹配问题.其选形应综合考虑
燃烧室的空气流向，火焰筒与喷嘴的尺寸限制以
及是否便于调节空气流量等因素.文中设计的三
级旋流器采用了组合结构，即第一级旋流器采用
径向式，第二，三级旋流器采用轴向式.这种组合
形式的旋流器总体尺寸较小，既能保证燃烧室头
部具有充足的空气量和足够强度的回流区，又可
以在较大幅度内调整各级旋流器的空气比例.
第二，确定各级旋流器的流量比例.在本文
所设计的三级旋流器中，来自第一，二级旋流器的
内外两股空气对燃油油膜产生剪切作用使其破碎
雾化，而第三级旋流器的作用主要是控制火焰筒
头部气流结构(回流区大小).为了研究三级旋
流器空气流量分配对旋流器整体性能的影响，设
计的三级旋流器采用了3种空气分配方案，流经
第一，二，三级旋流器的空气分别选取0.16:
0.36:0.48;0.23:0.33:0.44及0.28:0.32:0.40
这3种比例.
第三，确定旋流器的旋向组合方式.目前的
双级旋流器多采用反旋向组合，流经旋流器的两
路空气旋向相反，产生对油膜的剪切作用，促进燃
油的破碎和雾化.本文设计的第一，二级旋流器
也采用了反旋向组合，而第三级旋流器则采用了
逆时针和顺时针两种旋向.下文将对两种旋向旋
流器的流场进行数值模拟，研究旋向对旋流器回
流的影响.
第四，选定各级旋流器的设计参数.旋流器
第4期吴振宇等：三级旋流器的设计及其流场模拟39 的几何参数主要包括内半径r，外半径R，叶片数
硬币分拣机n和叶片角等，它们共同决定了旋流器的主要
气动性能如流量，旋转气流环量，出口总压及速度
等.三级旋流器各个参数的选取要点如下:
(1)各级旋流器内外半径r,R的选取.r小,
R大则旋流器入口面积大，因而旋流器流量大，头
部余气系数大，有利于加速燃烧反应，但是回流区
直径会缩短，火焰稳定范围将减小.对于三级旋
流器，各级旋流器的内外径要按其流量比来选定,
同时要注意各级旋流器间的尺寸匹配问题. (2)角的选择.卢角大，则射流切向速度
大，有利于增强回流强度，改善火焰稳定性但是口角过大容易造成油滴在火焰筒壁面附近燃烧，使火焰筒壁温偏高.本文设计的三级旋流器第一, 二级叶片角分别为42.和48.，第三级的叶片角
分别选取了52.和56.两种角度.
(3)叶片数的确定.旋流器的叶片应具有适
当的安装重叠度，如果叶片数过少，将发生气流的直通现象，气流旋转强度被削弱，不利于燃烧过程的组织【9J.另外，适当稠度的叶片有助于旋流器性能的改善，但是气流的摩擦损失也会随着叶片数的增加而增大.本文设计的三级旋流器第一, 二级叶片数均为12片，第三级旋流器叶片数则有12片和15片两种，以便进行对比研究.
参照单级旋流器的设计方法j，考虑到上
述各点，将设计的三级旋流器与文氏管，套筒组合可得下图所示结构，下文中将以该结构为几何模型，对其流场进行数值研究.
图1某三级旋流器结构图
2三级旋流器冷态流场的数值模拟
2.1创建几何模型
研究对象为带有三级旋流器的模型燃烧室,
利用UG软件建立多个三级旋流器的几何模型. 各个模型的区别在于其空气流量分配，旋向，叶片数，叶片角中的某一个参数与其他模型的相应参数不同.上文图1即为其中的一种三级旋流器结构图，其余各旋流器的结构与其类似.
2.2网格划分
利用Gambit软件对所建立的模型燃烧室的
几何模型进行网格划分.采用区域法和四面体非结构化网格，将整个燃烧室分成两部分，对三级旋流器进行适当的网格加密，而燃烧室的其他区域则采用较粗的网格.经过上述处理，网格模型的
网格总数在70万到75万之间.其中，三级旋流
器的网格划分如图2所示.
图2三级旋流器网格图
2.3计算模型
计算过程中应用CFD软件Fluent求解质量
守恒方程与动量守恒方程，文中涉及到的计算模型为湍流模型.目前湍流模型中应用最为广泛的是k一8两方程模型，其中Realizablek—s模型为标准模k一￡型的改进方案.该模型在计算湍流粘度时引入了与旋转和曲率有关的内容，可以有效地模拟包含射流和混合流的自由流动以及有旋的均匀剪切流等流动.考虑到航空发动机燃烧室内的流动包括了射流和混合，流场中包含很多回流区，并且回流区的大小差别也很大，本文选用了Realizablek一￡双方程湍流模型.该模型的数学表达式如下:
去(+毒(pku~)毒+~,/akl崛
杀(Ps)+(p6)
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