圆筒燃烧室旋流流场的研究

D0I:10.13374/j.is8m1001-053x.1986.02.009 北京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University No,2 第2期 of Iron and Steel Technology June 1986 圆简燃烧室旋流流场的研究 农灿 李有章 (热能系数模研究室) 摘 要 本文介纸圆筒燃烧室内双股同心旋转射流物理模型实验与数值模拟的研究结果1。数值 模拟按著者最近提出的湍流涡量输运方程21，呆用少一⊙方法及K一飞瑞流双方程模型， Rodi提出的壁函数3,41，以及Spalding教授等提出的计算器流回流的方法s1,本文工作表 明，用涡量一流函数法及K一双方程摸型计算强旋流及回流是可行的。 关键词：燃烧室.数值模拟。涡量流函数法、同轴旋转射流， Study of the Coaxial Swirling Jet Flow Field in A Cylindrical Combustion Chamber Nong Can;Li Youzhang Abstract In this paper,the numerical simulation of the coaxial swirling jet f low field in a cylindrical combustion chamber is introduced, Two vane-type swirlers with vane angle of 45and 60 respectively ara used in the experiments for study.The axial,radial and tangential ve locity components of the flow field are measured with a five-hole pres- sure probe. A modified turbulent vorticity transport equation recently drived by o ne of the authors is used in carrying out this numerical simulation the predictions of the flow field are obtained by using method and the 1985一09一18收稿 93

年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 一 ——— 二二二‘ 一 —— 二二二几二二 二 二 二丁二二 了二 二 二 二二 二二 万竺 了 — — 一一二二 ” 一 饭绷 、 一 气、 圆筒燃烧室旋流流场的研究 农 灿 李有章 热能 系 数模研究室 》 摘 要 本文介绍 圆筒燃烧室内双股同心旋转射 流物理模型实验 与数值模拟的研究结果 「， 数值 模拟按著者最近提出的湍流涡量输运方 程 ， 采用诊一 。 方 法及 一 。 湍流双方程模型 ， 提出 的壁 函数 “ ， ， 以及 教 授等提出的计算揣 流 回流 的方法 “ 木文 工作表 明 ， 用 祸 量一 流函数法及 一￡双方程模型计算强旋流及 回 流是可行的 ‘ 关镇词 燃烧室 ， 数值模拟 祸橄流函数法 同轴旋转射 流 ，闷艘甲 ， 宜 一 ” ， 一 。 夕 。 一 叻 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1986．02．009

turbulence K-e two equations model. The present investigation suggests that the calculation method intro- uced by the authors is easy to handle for namerical simulation of strong- swirling and recirculating flows,therefore,this:method is adequate for engineering purposes. Key words:combustion chamber;numerical simulation,vorticity-stream function method;coaxal swirling jet, 事。 前 言 圆筒燃烧室内双股同心旋转射流流场的有关问题，是燃烧空气动力学上的重要研究 课题之一，有着广泛的实用意义，前人对此做过不少的实验研究，近些年来又从数值模 拟上进行了工作。但由于湍流旋转射流的复杂性，到目前为止，数值模拟工作还存在不 少困难及问题。例如，当前认为用涡量一一流函数法计算湍流旋转射流是很困难的，国 外有人曾认为用涡量一流函数法不可能对此进行计算。 在本文工作中，数值模拟采用涡量一流函数法及K-ε湍流双方程模型，计算开始的 一年多时间内，祸量传输方程采用Spalding等(5)提出的形式，虽经在边界条件、壁函 数及计算方法上做多种调试，但始终不能计算出作为旋转射流特征的中央部份回流区。 后来改用著者重新推导的涡量输运方程(2)，将脉动祸量传输与雷诺应力相区别，考虑 脉动祸量输运是各向异性的，并引入脉动祸量输运普兰特数P:。:作为其初步半经验湍 流模型，经调试计算出与实验基本相符的旋流特征回流区。工作表明，用涡量一流函数 法及K-e双方程模型计算强旋流与回流是行得通的。 1物理模型实验 实验装置如图1所示，模型烧嘴环套内安装有旋流叶片，以五孔球形皮托管测定了 8 图1物厘模型实验装置简图 Fig.1,Sketch of the layout of the equipment used in the experiment. 1.Experimental section;2.orifice flow meter;3.supporta,4.rotameter,5.air compressor and reser- voir,6.disk valve;7.blower,8.measuring holes;9.swirler. 94

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旋流叶片安装角分别为45”与60°两种情况下，实验段圆筒内旋转射流场的轴向、径向及 圆周向的速度分布。表1列举了实验段的几何尺寸，表2列有实验两种工况的参数。 表1实验段几何参数 Tadle 1 Geometrical parameters of the experimental section Longth of the Radius of the Radius of the Annular inner Annular outer radius of the cou- Cylinder Cylinder central pipe radius radius tracted outlet pipe (m) R(m) Ro (m) R1(m) R2(m) Rc (m) 1.25 0.2 0.019 0.021 0.049 0,1 表2实验工况参数 Table2 Parameters of the experimental section Vane angle temperature of central jet Annular jet of Swirler the medium Volumetric Air denaity Volumetric flow Air density (degree) (℃) flow rate(m3-/h) (kg/m3) rate (m3/h)(kg/m3) casel 45 19 14) 1.186 611.4 1.291 C盒者82 60 13.5 140 1.186 578.5 1.288 2.控制方程边界条件与壁函数 2.1控制方程 设问题为轴对称，流动为稳定流，上述实验表明、流场内压力变化很小、马赫数量 大约为0.1左右，故将气体看作是不可压缩的常物性流体，数值模拟采用的控制方程为 @2=1(rV,),o,=-10("),o=0-wr (1) r or 。 r ar (2) 是(。2）+品（8t)+@=0 (3) 可品(：0)品（件路月-品{：+p)兽]} -品r品0+）g}-[(m）9(:) (o月=0 (4) 95

旋流叶片安装角分别为药 与 “ 两种情况下 ， 实验段 圆筒 内旋转射流场 的轴向 、 径向及 圆周 向的速度分 布 。 表 列举 了实验段的几 何尺寸 ， 表 列有实验两 种工况的参数 。 表 实 验 段 几 何 参 数 翻‘ ， 一 鱼 了 。 。 。 。 表 实 验 工 况 参 数 一 应 · 州 呷 份 。 ‘ ‘ “ ‘ ， ‘ ’ ， 呼 ‘亡 ， ， ， ，呼， 二 〔 “ 了 ， 吸 ， 赞卜 全二二习二耳 一 一 丁万一门 皿世 晴 、 竺 二 ‘补 “ ‘ 」 。 ， 。 。 吕 控制方程边 界条件 与壁 函 数 。 控 制方程 设 问题为轴 对称 ， 流 动 为稳 定 流 上述实验表 明 、 流场 内压 力变化很小 、 马赫数最 大约 为 左右 ， 故将气体看作 是不 可压缩 的常物性流体 ， 数值模拟采 用的控制方 程 为 竖留 口 一 万 。 ， 。 一 令 ” 。 口 口。 口” 口” 口 口 ， 即一叙 一 、梦 九 二 示 二 一 — 别 口 能 最 一 诀 一 臀 一 〔刹牛 器 立 生 钾 、 。 。 一 。 口 口 刁 裂 一 斋 一 盯 … 件 、 。 。 飞飞 、 卜 个 一石 — ， 一 气 厂 — 户 一 一 几才、、 闷脚吐叶 一 斋 一 飘 一 贵公 刊 一 创犷 口 些 一 。 林 、 一 万砰 、丁叮二丁 田 ’ 月 一

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表3列有计算用参数及系数值。 表3计算用参数和杀数值 Table 3 Values of parameters and coefficients used in computation Ca CR Ca B E Pro1 Pyel Pyes Pyak Pix 1.44 1.92 3.5 0.09 0.4359.71.0 1.0 1 11 9.79.7 97g.71.0 {1.3 2.3边界条件 品 0 z 图2边界条件示意图 Flg,2 Notation for deacription of the boundary conditions (1)在侧壁上r*R、0<z<L中=const,K=v=v.=vz=0,（15') (）m=0,(兽)p=g:+g=()Np 81=。-)8。 R[) cR-(8-学》 R('-刀 (2)在底壁2=L,R。<r<R =const,K=ve=v:=Vz=0 (20) (8)=0,（2）=8+g(g) (21) g1=3Cg）,g2=-0.5. Pr2n。 (3)在顶壁z=0,R:<r<R =const,K=v.=v:=Vz=0 (22) (影)=0，(e360a2-.受 (23) 97

表 列有计算 用参数 及系数值 。 表 计 葬 用 参 数 和 系 数 值 ， ， 气 李 ， 一， 才 ‘ ，护 电 曰 一 了口 ﹃ “ ‘ 饰 六 ， ︸ 玄︸ ︼ 一 ︸口 一合一 一 一 只一 ﹄ ﹄内 一」一‘， ︸ 。 ︸一。 边界条件 嗯要 圭 一 乙 工 玉 图 边界条件示意图 皿 ， 自 泣 在侧壁 上 ， 、 叻 ， 二 。 二 斋 ， 。 ， 宁 。 ‘ 令 ，嘴娜 二 功 。 一 叻 、 。 备 。 。 粤 一 备 二 〕 一 了卫 一 、 卫丝巴 、 八 厂卫 。 在 底 壁 二 ， 。 砂“ ， 了今几 、 、 口 二 日 二 ， 竺、 、 名 二 ， 竺 、 。 、 价 一 功 。 。 “ 畏 一 。 。 油困势 在 顶壁 二 ， 砂二 ， ， 。 了 二 二 了夕仁 、 ， 。 了旦鱼、 飞 入 一 ， 、 一 、 叻 。 一 劝 。 “ 吞 。 。 了 、 竺鱼