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
，， 一 ‘ ，了 ‘ “护 ‘妙 “ 丫 云。 五 。 官 仪 毗 了 ， 吐 一 ‘ 叱 六 「 五 。 ‘ ，。 冬。 迁肠 份 皿 。 户。 毓 欲二。 二 时 。 。 雌 孔伽乌 ， 址八 份‘ 面“ 权 ， 耐。 眺云已 一 ‘ 玉 从 仍 ， “ 钾 通。 ， 一 址 乡 、 、 ， 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丸 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伟 到 目前为止 ， 数值模拟工作还存在不 少困难 及问题 。 例如 ， 当前认为用滴量—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 。 接 在本文工作 中 ， 数值模拟采 用涡量一流 函数 法及 一 。 湍流灰劣程摸垫 计算开始的 一年 多时 间内 ， 涡 量传输方程采 用 等〔幻 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 ， 但始终不能计算击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‘ ’ 、 将脉动涡量传输与雷诺应力相 区 别 ， 考虑 脉动涡量输运是各向异性的 ， 并引人脉动涡量输运普兰 特数 。 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 一 。 双方 程模型计算强旋流与 回流是 行得通的 。 物理模型实验 实验装置如 图 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 『一 一 、 口 侧，了 口厅… 仁 」 卜 曰 … 了 图 物理模型实验 装置简图 。 ， 七 任 玉 也 ‘ 过 · 公五位 贾 一 二 七 ， 卜 ， 感， 一 ‘ ， 七 垃 泣 ‘ 一 触
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
品(rw,2）(rw82）小品(÷月-品{u…(告刀 =0 (5) μ，t:=μ+μs (6) μe=CapK2/e (7) 品(K8胖)(K8驶）-品(+)]-{(e+:）t] -rSx=0 (8) Sx=Q-pe (9) 0=2(）P+(80）°+（°+（(2+）}门+(8）》 +…司rg品（任刀 (10) “9=μz/ppw=1+2S± (11) (驰)品(e股）2[(+）股]-品(+）8】 -rs,=0 (12) 5=Ci卡-C:+C.Ri (13) 品[(}〕 R= 2品（） (14) +:((+(月] 2.2壁函数(3、4) 0w=-8-2.5/8, (15) K。=Y2 =3.15v2 (16) C. e,=路=2.5va. (17) v.-r/(nC).BCtovK (18) In (EpKC) (19) 96
…器 一 备 一器 一 备〔 一 一备令 〕 一 斋〔 一 。 一备今 〕 卜 卜 。 “ ，、 斋 器 一 备 器 二 卜 ， 、 口 飞 刁 、 卜 ， 万瓜 万牙」一 丽 、 一一朽记砂一 一 ‘ 二 一 。 ， 二 卜 。 口 、 屯卜 个 — 百一下二了口 二 〔令 令 “ 令 “ 专餐 争 “ 〕 。 。 餐 ’ 。 二 〔 · 备今 〕 ’ 林 。 林 户 ， 一 士 斋 · 器 一 备 · 餐 一 爵〔 · 会 会〕 一 斋〔 · 卫上 ， 、 一 二 今 。 一 嘿 牟 、 二、 篮、 二、 业 李 丛、 奥 丛 、 ， 口 气 了 备 · ‘ 〔 · 备令 “ 豁 “ 〔 · 刹刊 璧 函数〔 、 〕 功。 。 二 日占 一 占 ， — 二 、 七丁 ， 七 气石 尸一 乙 。 办 。 。 去 告 丫 二 日 士 音 。 。 ， 户 去
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
(4)燃烧室下游出口z=L,日R) (27) 2aB aBr ach'ach(B) 0r= (28) 2a{BB[+4]-日} (29) a2ch2(Br2/a) K=(0.0036uz)2,e=0.1643K2/3 (30) 在式(24)~(26)中，当a值选定后，根据射流出口的已知条件，可以确定α， 的值，在本文工作中取a=0.1,并计算得a=0.428,B=40.577。 以上控制方程中的拟线性椭圆型方程，经采用Spaldings等c5)的湍流回流计算方法， 可将求解因变量中=中，⊙，K,e,v的有限差分逐次迭代公式写为： 中。=CE中B+Cm中m+C中N+Cs中s+D (31) 并采用超亚松驰法迭代求解，收敛标准ε。为 n i=1 i( -中iK- (K 1=1 本文工作中取ε=0.005。使用38×17非均匀网格在本院M150计算机上计算，源程序编 译约需39s,一般情况下计算需时约28min,迭代271次。 3实验和计算结果及其分析 由于本实验工作的物理模型圆筒加工较粗糙，不能保证为轴对称；实验段是全封闭 的，且测点位置已预先固定，从实验所得数据不能准确判断回流区的范围；采用五孔探针 98
燃烧室下游 出 口 二 ， 《 。 ” 口 。 。八 口 旦烫 巫 二 」丝 日 ” ， 台 中心线上 劝 二 ” 口 。 。 肛 八 一 一丁一 一 汀 —刁 中心 喷管与环 套喷管 出 口 ， ， 梦 仅 、 —， 刀 ， — 、一 护 一 ， ， ， 毛 ， ‘ — 。 ” 口。 一 日 ’ 日 誓 〔手 〕 一 专 日 “ ” ， 。 ， 吞 在式 中 ， 当 值选定 后 ， 根据射流 出口 的 已知 条件 ， 可 以 确 定 ， 日的值 ， 在本文工作中取 二 ， 并计算得 三 ， 日 。 以上控制方程 中的拟线 性椭圆型方程 ， 经采用 等 性 的 湍流 回流 计 算方法 ， 可将求解因变量 小 劝 ， 。 ， ， 。 ， 认 ， 的有限差分逐 次迭 代公式写 为 小 小 令 、 小 、 。 小 。 井采 用超亚松 驰法迭代求解 ， 收敛标准。 。 为 刃 母 … “ 一 … 、 。 ， 二 本 文工作 中取 。 。 。 使 用 又 非 均匀网 格在 本院 计算机上计算 ， 源 程 序编 译 约需 ， 一 般情 况下计算需时约 ， 迭 代 次 。 实验和计算结果 及其分析 由于本实验工作 的物理模型圆筒加 工较粗糙 ， 不能保证 为轴对称 实 验段是全封闭 的 ， 且测点位置已预 先 固定 ， 从实 验所得数 据不能准确判断 回流 区的范 围 采 用五孔探针
尚未能做到保证测孔处气密，由于所述这些因素等的影响，实验数据的误差是较大的， 有待在今后工作中进一步改进。Habib及Whitelawt6)在后开式的装置上，用激光测速 仪、热线风速仪、三孔探针，对圆筒燃烧室内双股同心旋转射流的流场进行了测量，并 分析了实验误差。 图3,4,5，所示是旋流叶片安装角a=45°、旋流数S=0.52的第一工况，实验 测点所在截面上轴向、切向、径向速度分布的实验与计算结果，图6为此工况下按计算 结果绘出的流场流谱，图T为计算所得子午面上轴向与径向速度分量vz与U:的合速度分 布。自图6及图7可见，流场在射流出口附近直至Z/D2.5处，有一作为旋转射流特 征的中央部位大回流，以及速度较高的贴壁向前流动的气流。由于中心喷管的截面、出 流流量及流速均较大（出口平均速度约为34m/s,流量140m3/h),因而动量较大，使得 中心射流得到一定程度的扩张，使回流区的下部份呈向上倾斜状，中心射流的一都份为 环套出流气流卷吸入回流区，经附壁流动后，在回流区后与剩余部份汇合，流向下游出 口。这样的流动情况，可能一方面在中心区得到一较长的火焰，另外在壁面附近形成高 温区，成为高效的辐射热源，而燃烧室中部的回流区是良好的混合、搅拌区，形成中心 与附壁火焰的稳定点火源。 图4所示实验与计算的切向速度分布是一致的。实验结果的某些截面中心线上切向 速度不为袋，显然是模型圆筒不对称所致。从切向速度分布来看，流动近乎于一个自由 涡包围着一个固体涡。 图5所示径向速度分布实验与计算结果相差较大，这可能是由于径向速度分量较 小，一般在2一8m/s左右，因而用五孔探针测量的误差较大， 图8表示计算所得流场的涡量⊙的分布，可见涡量的最大值（按其绝对值）在团体 壁上，从固体壁到邻近节点，祸量的值变化很大，且符号发生改变，这是由于 6s人 v, -8VZ 8r> r/D 0,415 0.37 V.10m/6 0.3122 0,5- 0.10 0.05- 00.1730.莎0.47 0.65 25 4-.52.52.775 2/D 图3一A第一工况实验测定的流场轴向速度分布 Fig 3A The measured axial velocity distribation of the flow field,caso 1,vane angle a=45 /D V:10m/6 0.375 6.3125 0.25 2.157y 0,15= o.io 0.5 0.1730,3230:4750.625 1.87乃 2.25 Z/D 图3一B第一工况数值计算的轴向速度分布 Fig 3B The computed axisl velocity distribution of the flow field,case 1,vane angle a=45' 99
尚未能做到保证测孔处气密 ， 由于所述这些 因素等的影响 ， 实验数据的误差是较大的 ， 有待在今后工作 中进一步改进 。 及 〔 的在后开式的装置上 ， 用 激光测速 仪 、 热线风 速仪 、 三 孔探针， 对圆筒燃烧室 内双股同心旋转射流的流场进行了测量 ， 并 分析 了实验课差 。 一 ‘ 图 哥 ， ， ， 所示 是旋流叶片安 装角。 二 。 、 旋流数 二 。 的第一工况 ， 实 验 测点所在 截面上轴 向 、 切 向 、 径 向速度分布的实验与计算结果 ， 图 为此工况下按计算 结果 绘 出的流场流谱 ， 图 为计算所 得子 午面 上轴 向与径 向速度分量。 与。 的合速度分 布 。 自图 及图 可见 ， 流场在射流出 口附近直至 熔 处 ， 有一作为旋转射 流 特 征的 中央部位大 回流 ， 以及速度较高的贴壁向前流动的气流 。 由于 中心喷管的截面 、 出 流流量及流速均较大 出口平均速度约 为 ， 流量 “ ， 因而动量较大 ， 使得 中心射流得到 一定程度的扩张 ， 使回流区的下部份呈 向上倾斜状 中心射流的一部份为 环 套 出流气流卷吸 入 回流区 ， 经 附壁流动 后 ， 在 回流 区后与剩余部份汇合 ， 流 向下游 出 口 。 这样的流动 情况 ， 可能 一方面在 中心 区得 到一较长的火 焰 ， 另外在 壁面 附近 形成高 温 区 ， 成 为高效的辐射热源 ， 而 燃烧室 中部的 回流区是 良好 的混 合 、 搅拌区 ， 形成中心 与附壁火焰的稳定点火源 。 图 所示实验与计算的切 向速度分布是一致的 ， 实验结果 的某些 截面 中心 线 上切 向 速度不 为 零 ， 显然 是模 型 圆筒不 对称所致 。 从切 向速度分布 来看 ， 流 动近 乎于 一 个 自由 涡包围着一个 固体涡 。 图 所示径 向速度分布实验与计算结果相差较大 ， 这可能是 由于径 向速 度 分 量 较 小 ， 一般在 一 左右 ， 因而 用五孔探针测量的误差较大 ， 图 ” 表示计算所 得流场的涡量蜘角分布 ， 可见涡量 的最大值 按共绝对值 在 固体 壁上 ， 从 固体壁到邻近节点 ， 涡量的值变化很大 ， 且符号发生改变 ， 这是 由于 。 二 粤 一 鲤 ， 一 廿‘ 口 巨 仆 ， 一 峪 ，李 口 一 芝 一 之， 盈， 心 。 厄公， 狡 ，如 ‘ 譬尘熟善篡篡一 ， 一 、 鬓一 一一互一 图 一 第一工况实验测定的流场轴 向速度分布 犷 ‘ 五 口 ，。 ， 了 ‘ 住 一 一 一 仁际游 刃七乙‘卜 … 劫 一 愁 气呀 至犷 ，尸 ， 目 创 曰‘ 户 叽 里了‘ 图 一 ‘ ‘ ， 。 或 第一工况数值计算的轴向速度分布 五 玉 ， 二 ， ‘ ， ，， ， ” ‘ ” ‘ ‘ ’ 牙
F/D 4 10m/s 25 0.10 5 6 0,175 0.525 0.475 0.625 1.25 .575 2.9 2.652,775 2/D 图4一A 第一工况实验测定的切向速度 Fig.4A The measured tangential veloeity diatribution of the flow field,case 1,vane anyle a=45'. F/D 0.4575 0,373 V.10a/G 0.5123 0.2 1873 0 175 0,475 .625 1.873 2.5 2,552,775 2/D 图4一B 第一工况数值计算流场切向速度分布 Eig.4B The computed tangential velocity distribution of the flow field,case 1,vane angle a=45. F/D 0457 0.571 0,12 :5 9,0 9.05 0,250.4730,625 1,25 1.879 25,2,652.775 D 因5一A第-一工况实验测定的流场径向速度分布 Fig.5A The measured radial velocity distribution of the flow field,case 1,vane angle a=45 r/D 0,575 m/s v. 0,3125 0.5 0.7 0.t5 0,0 o.05 0.75 0.32y0.4750.625 1.25 1.575 8,52.552.775 2/D 图5-B第一工况数值计算的流场径向速度分布 Fig.5B The com puted ridial velocity distribution of the flow field,case 1,vane angle a=45. 100
公 ， ‘ 分， ，劝 洛 。 冬、 ， 一 之， 。 已 。 ， 一 忿 ， ‘ 卜 誉唇 】 己 屯 曰 。 ， 一 戈， 一 今 ， 一公， 图 一人 第一工况实验测定的切 向速度 人 丁 ， 了 份 ， 么 一 ， 杯 口 嗜了蛋亚霞 。 ‘ 吞 ， 户 一 一 几 ， 多 夕 乍 ， 之 ， ， 巨 闷 一 ， 止下 闷 。。 阶， ， 民 【二二 价犷 奖 ，脚 ，户 一 ， 一 云， 一 与 后 ， 》 已宁， 之 ， ‘， 一 ， 图 一 第一工况数值计算流场切 向速度分布 忿玉 卜。 三 ， 另 ， ， ‘ 一 。 一 ‘ ， ， ， ， 一 乒之， 一 王， 。 ， 心 一 、， 勺 。 、 ， 一 讥 ，叮‘ ‘ 刁 ，甸 犷 仇 苦乃 一 ，叫 一 ， 一戈， 一 ‘ ， 一 公， 。 之， 、 ， 已 ， 之一 、 之 乞邓 ，护 白 。 ‘ ， ， 图 一 第一工况实验测定的流场径 向速度分布 名 。 人 ， 。 玉 盆 ， ， 口 一 艺 “ 。 ， ， 之， 一 ‘ ， 公 之， 一 ， 认 上 、 」一 ， 一 ， 图 一 第一工况数值计算的流场径向速度分布 日 ‘ ￡ ， ， ， 吕 一谧 “
0,042 0.2 3.0 中(kg/s) -5X0 图6第一工况计算流场流函数分布 Fig.6 The computed flow pattern,case 1,vane angle a=45" -:- 二 图7第一工况计算流场子午面速度分布 Fig.7 The computed velocity distribution on mendian plane, case 1.,vane angle a=45 55 -1p (1/6) 图8第一工况涡量分布 Fig.8 The computed vorticiiy distribution,cosel,vane angle a=45* 0.t3 042 K/U好 图9第一工况计算的湍动能分布 Fig.9 The computed distribution of turbulence Kinetic energy,csse 1,vane anyle a=45" 0.1c (u.3/L) 0.07 0.9 0,06 2 图10第一工况计算测动能耗散率分布 Fig.10 The computed distribution of turbulene kinetie energy dissipation rate,ease 1,vane angle 05a45◆ 101
” 、 币 ‘ 盯 要遇 图 第一工况计算流场流 函数分布 熟 ， ， ， ， 甲 二 叮 、‘ 、 、 、 ， ，， ，︸、 、 护、 今 月户 声 声 、 ，目 ，口， 叫面 石函 ， 叫 份勺 ， ，， ， ， 口 ， 口 ，， ‘ 户 翻 甲甲 口，， ， ，一 ︸ ， 。，， ，子， ﹂︸︸二 。 、、、，、 ，、，、， ，二，、 、 、 ，，，哈 之 、 ， 门 护曰肠 卜 刁口一 ‘ 口 叫曰 川 ‘ ，口 ，口， ，，， 乒 一 ，， ， ，， 闷， ，， ， ， ， 月 曰 司加 曰 日卜 口，， 户 二 ， ，口 呜， ， 、，，、 ， 口口 甲， 少产 户 ，口 户 口 ， ， 目 ， ，， 州， ，， ， 门 ， ，，， 目 ， 二一 一一六 一一 娜口一，州‘ ，户 阅户 月口 ，口 门 殆尸 ，口︸ 二 二户 厂二 、么 图 第一工况计算流场子 午面速度分布 护 皿 一 了 ， 亡 ， 皿 。 一一 “ ‘ ‘ ‘ ‘ 一 浏曰卜些三巴 七台七 巴 图 第一工况涡量分布 犷 吕 几了 ， ， ， 翅诊 图 第一工况计算的湍动能分布 。 ‘ 一 ， 一 ， 。 。 一 了 喇脚 图 第一工况计算湍动 能耗散率分布 。 夕 一 。 ，
而径向速度沿轴向的变化很小，轴向速度在近壁处于径向上的变化很大，轴向速度对 径向的偏导数⊙则二对涡量的大小符号起主要作用，这与附壁流动区域中轴向速度分 ar 布的情况相符合。除壁面外，流场内部涡量最大值在环套射流出口附近，说明旋流器 是产生涡量的源。另外，在回流区的中心地带，涡量值也较大，说明轴向速度在此处沿 径向的变化也较剧烈。在流动下游出口附近，流动已趋于平缀，涡量值较小。从以上的 初步分析可见，计算所得整个流场内涡量的分布还是合理的，但数值普遍偏高，尤其在 壁面附近，涡量的变化太大，壁面上的涡量值也过高，这与祸量壁面边界条件及近壁点 的涡量的计算方法不相关。 图9及图10分别示出计算所得流场湍动能K与湍动能耗散率ε的分布。从定量方面来 看，结果还不够理想，数值偏大。很多著者认为用k-ε双方程模型计算旋流问题，需对 方程进行修正。本文著者同意这种看法，并在今后工作中，在这方面做些探索。从定性 方面来看，计算结果的K和ε的分布，还可以认为是合理的，湍动能K在射流出口附近 最大，此处由于两股射流刚开始相互作用，同时切向速度也发生较大变化，湍流旋涡运 动脉动激烈，在沿径向和轴向方向上，湍动能逐渐减小，基本上形成对中心线对称的包 络线。湍动能耗散率的分布与湍动能的类似，在射流出口处具有最大值，说明此处湍动 能的生成与耗散都很强烈。 关于本文工作的详尽情况，请参见文献1)。 4.结 语 本文工作按著者新近导出的湍流涡量输运方程(2)，采用涡量一流函数法及K-ε湍流 双方程模型，对圆筒燃烧室内双股同心旋转射流数值模拟获得初步成功，表明应用这样 一种较为简单的方法计算强旋流与回流是行得通的，为今后待做的大量工作迈出了可喜 的一步。 热能系覃竞南同志参加本文燃烧室冷态模型的装配与实验工作，科学院工程热物理 所姚志华同志、清华大学热能系锅炉实验室的同志对本文有关实验及五孔探针测速、校 正提供了具体的经验与指导，本文著者对协助工作的所有同志表示衷心感谢。 符号说明 G。角动量通置 Gz轴动盘通量 。湍动能耗散率 4单【t 有效粘性系数 K 湍动能 P,由i脉动涡昼输运普兰特数，i=1,2,3,4 中因变盘Dr,中，K,E,rg R!Richardso n数 S旋流数，S=C◆/G:R )涡量 。流涵数 V速度 参考文献 (1)农灿：圆筒燃烧室旋流流场的研究，北京钢铁学院热能系硕士研究生学位论文，1985年，5月， 〔2) 李有章：对湍流祸量输运方程的商植，1985年3月，待发表， [3)Lin,A:Numerical analysis of confined turbulent flow,computor and Fluids,10.(1982). (4)Rodi,W,Turbulent models and their applications in hydraulics.1980. (5)Gosman,A.D.;Pun,W.M.,K.,A.Runchal,iSpalding,D.B.,Wolfshtein,M.:Heat and maas-tranafer in recirculating flows 1969 (6)Habib,M.A.sand Whitelaw,J.H:Velocity characteristics of a confined coaxial jet with and WIthout swirl,Journal of Fluids Engineering.102.1980 102
而径 向速度沿轴 向的 变化很小 ， 轴向速度在近壁处于径向上的 变化很大 ， 轴 向 速 度 对 径向的偏导数 箫 对涡量“ 。 的大 小符号起主要作 用 ， 这与 附壁流动区域中轴 向 速 度 分 布 的 情况相 符合 。 除 壁面 外 ， 流场 内部涡量 最大值在环套射流 出 口 附近 ， 说明旋流器 是 产生涡量 的 源、 另外 ， 在回流区 的 中 』 。 地带 ， 涡 量值也较大 ， 说明轴 向速度在此处沿 径 向的 变化也较剧 烈 。 在流动 下游 出 口 附近 ， 流动 已趋于 平缓 ， 涡 量值较小 。 从以上的 初 步分析可 见 ， 计算所 得整个流场 内涡 量 的分 布还是 合理的 ， 但数值普遍偏 高 ， 尤其在 壁面 附近 ， 祸 量的 变化太大 ， 壁面 上的涡 量值也过高 ， 这与涡 量壁面边界 条件 及近壁点 的 涡量 的计算方 法不 相关 。 图 及图 分别 示 出计算所得流场湍动能 与湍 动能耗散率 。 的分布 。 从定量方面来 看 ， 结果还不够理 想 ， 数值偏大 。 很多著者认为用 一 。 双方程模型计算旋流 问题 ， 需 对 方程进 行修正 。 本文著者 同意这种看 法 ， 并在今后工作 中 ， 在这方面做些 探索 。 从定性 方面 来看 ， 计算结果 的 和。 的分布 ， 还可 以认为是 合理的 ， 湍动能 在射流 出 口 附 近 最大 ， 此处 由于两 股射流刚 开 始相 互作 用 ， 同时切 向速度也发生 较大变化 ， 湍流旋涡运 动 脉动激 烈 ， 在沿 径 向和轴 向方 向上 ， 湍动能逐渐减 小 ， 基本上形成对 中心线对称 的 包 络 线 。 湍动能耗散率的分布与湍动能的 类似 ， 在射流 出 口处具有最大值 ， 说明此处湍动 能的生成与耗散都很强烈 。 关于本文工作的详尽情况 ， 请参见文献 〕 。 结 语 本文工作按著者新近导 出的湍流涡量输运方程〔 〕 ， 采 用涡量一流函数法及 一 湍流 双方程模型 ， 对 圆筒燃烧室 内双股 同心旋 转射流数值模拟获得初步成功 ， 表 明应 用这样 一种较为简单的方法计 算强旋流与 回流是 行得通 的 ， 为今后待 做的大量工作迈 出了可喜 的一步 。 热能 系覃竞南同志参加本文 燃烧室 冷态模型的装配与实验工作 科 学院工程 热物理 所姚志华同志 、 清 华大学热能系锅 炉实 验室的 同志对本文有 关实 验及五孔探针测速 、 校 正提供 了具体的经验与指导 ， 本文著者对 协助 工作的所 有 同志表示 衷心感谢 。 符 号 说 明 外 角动最通盈 轴动 盈通量 湍动能耗散率 卜。 ， 有效粘性 系数 湍动能 。 脉动涡量输运普兰特数 ， ， ， 小 因变量。 ，中 ， ， 。 ， ， ‘ 数 旋流数 ， ， 。 涡量 勿 流函 数 速度 参 考 文 献 〔 ” 农灿 圆筒燃烧室旋流流场 的研究 ， 北京钢铁学院热 能系硕士研究生学位论文 ， 年 ， 月 。 〔 〕 李有章 对湍流涡量输运方程的商榷 ， 年 月 ， 待发表 〔 〕 ， 了 了 钾 ， 爪 ‘ ， ， 马 〕 ， ， 五 〔 〕 口 ， ， ，可 ， ， ， ‘ ， ， ， 卜 、 ， ， 贾 ， ， ， ‘ ‘ 。 。