旋流器旋流强度对空气流量与出口压力影响的数值研究

旋流器旋流强度对空气流量与出口压力影响的数值研究

周楠  张绍峰  刘创

西安航天源动力工程有限公司  陕西 西安 710100

摘要：为研究旋流强度对空气出口流量和出口压力的影响，在旋流器叶片喉部通风面积恒定的条件下，调整叶片安装角度、叶片个数和叶片高度以改变旋流强度。使用ANSYS Fluent对空气的旋流过程进行详细数值模拟。结果表明，随着旋流强度增大，空气出口流量逐渐降低，出口截面上压力呈中间低四周高分布。

1 引言

旋流器是由若干个旋流片按一定安装角度沿周向排列而成的。旋流器安装在火焰筒的前部，当空气流过旋流器时，其运动变成旋转运动，气流被惯性离心力甩向四周，使燃烧室的中心部分空气稀薄，形成一个低压区，于是火焰筒四周的空气及后部一部分高温燃气便向火焰筒的低压区倒流，形成回流，使气流轴向速度比较小，形成稳定的点火源，提高燃烧效率。

焦树建介绍了径向旋流器的设计和计算方法，并对旋流叶片的安装方向、安装角度和叶片数目的选择给出了了合理建议。呼姚等人指出旋流器是航空发动机燃烧室中的重要部件，其在燃烧室头部产生高速旋转射流，形成热回流区，以保证火焰的稳定。（双级径向旋流器对燃烧性能的影响2021）。代威等人的试验表明，减小第二级径向旋流器旋流数会明显改善贫油熄火性能，并使得下游卷吸量增加，回流区流动与火焰匹配更好，这有利于燃烧稳定性的提高。还有其他学者也针对旋流器对燃烧性能的影响做了大量详实的研究，但单纯对旋流器本身旋流强度与通风量和出口压力关系的研究还较少报道。出口压力大小及其分布与回流区的形成息息相关，通风量的大小对于燃烧稳定性也至关重要。因此，本文着重探讨旋流器旋流数对通风量和出口压力的影响，进而为旋流器的优化设计提供经验参考。

2．数值计算

2.1 模型介绍

使用ANSYS Fluent对空气的旋流过程进行仿真模拟，并采用Solidworks构建几何模型，图1为数值模拟几何模型。如图1-a所示，空气从入口进入，经过风门后抵达旋流器。旋流叶片按照一定安装角度周向规整排布。由几何模型可以看出，流体域相对比较复杂，很难对其直接建模。这里先对固体部分进行建模，接着使用“流道抽取”功能构建流体域。旋流器的几何结构如图1-b所示。几何模型被非结构化网格划分。模型空气入口为压力入口边界条件，空气出口为压力出口边界条件，模型中其它固体表面皆为绝热面。入口处空气表压为3500 Pa，温度为293.15 K。湍流模型选择RNG k-ε模型。

（a）几何模型                                 （b）旋流器

图1  数值模拟几何模型与旋流器结构

2.2 旋流强度对通风量和出口压力的影响

首先，保持叶片高度不变，改变叶片安装角度的同时改变叶片个数以保证叶片喉部的通风面积不变。具体尺寸如表1所示。不难发现，安装角度越大，叶片数越少，叶片喉部最小宽度越大。

表1  旋流器几何尺寸

旋流数是表示漩涡流动中流动旋转强度的一个无量纲参数，实际上为流体切向力的轴向动量矩与流体轴向力动量矩之比。图2展示了旋流数和通风量（空气体积流量）曲线以及旋流数和出口压力曲线。由图2可知，旋流强度增大时，通风量逐渐减小，出口压力先急剧增大，略有降低后又上升。

图2  旋流数对通风量和出口压力的影响

随后保持叶片安装角度为85°不变，改变叶片数目的同时改变叶片高度以保证叶片喉部的通风面积不变，具体几何尺寸如表2所示。可以发现，叶片数越多，叶片喉部宽度越小，叶片越高。

表2  旋流器几何尺寸

旋流数与通风量和出口压力的曲线图如图3所示。由图3可知，通风量随着旋流数的增大而降低，当旋流数增大时，出口压力略有增加，继而有所降低，后又增高。

图2  旋流数对通风量和出口压力的影响

综合以上两种类型变工况研究可发现，旋流器几何结构尺寸变化时，始终有旋流强度越大，空气体积流量越小的规律存在。出口压力变化规律亦相同，压力变化转折点处的旋流强度几乎相同。

参考文献

[1]侯凌云，候晓春，喷嘴技术手册[M]，2007.

[2]Yang G C C,Yang T.Synthesis of zeolites from municipal incinerator fly ash[J].J.Hazard Mater.1998,58:103-120

[3]王秉铨，姜生远，王秋.工业炉设计简明手册[M],2011.1.