燃氣輪機燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計方法研究

段冬霞，崔玉峰，聶超群

（中國科學(xué)院先進能源動力重點實驗室（工程熱物理研究所），北京 100190）

燃氣輪機燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計方法研究

段冬霞，崔玉峰，聶超群

（中國科學(xué)院先進能源動力重點實驗室（工程熱物理研究所），北京 100190）

本文在傳統(tǒng)CFD方法的基礎(chǔ)上梳理了燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計方法的思路，該方法將變量參數(shù)化，使功能模塊間無縫關(guān)聯(lián)，對燃燒室進行初步設(shè)計，通過調(diào)整算法改進燃燒室結(jié)構(gòu)，并對改進后的結(jié)構(gòu)自動進行CFD計算，因此能大大縮短燃燒室的CFD設(shè)計周期，而且通過不斷積累經(jīng)驗關(guān)系式、調(diào)整算法和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其功能將更加強大。然后在成熟軟件的基礎(chǔ)上，通過UG／Open API、ANSYSWorkbench腳本以及C語言編程實現(xiàn)了這種參數(shù)化的CFD設(shè)計方法，之后通過算例驗證了該設(shè)計方法的可行性和高效性。最后簡述了該方法在實際的燃燒室設(shè)計過程中的三種應(yīng)用，充分證明了參數(shù)化CFD方法在燃燒室設(shè)計中的優(yōu)勢。

燃氣輪機燃燒室；參數(shù)化；CFD；設(shè)計方法

燃氣輪機燃燒室的設(shè)計是一項在相互矛盾的設(shè)計要求之間尋找折中方案的困難工作［1］。其設(shè)計方法經(jīng)歷了一個從簡單到復(fù)雜不斷發(fā)展的過程，主要包括經(jīng)驗方法［2］、半經(jīng)驗方法、半分析方法［3］、半分析機理方法［4］、混合模擬方法和CFD方法。隨著對燃燒室設(shè)計要求的不斷提高，CFD方法越來越受到重視，并取得了重要進展。然而在燃燒室CFD設(shè)計的過程中，經(jīng)常需要改變?nèi)紵业慕Y(jié)構(gòu)，為此就得重新建立幾何模型、生成網(wǎng)格、前處理（包括建立物理模型，設(shè)定邊界條件、初始條件、收斂判據(jù)）、進行計算及后處理，有時還需要采用新的物理模型或者改變運行工況。這些工作不僅使得研究設(shè)計人員陷入頻繁重復(fù)的操作中，容易出現(xiàn)人為錯誤，而且使得燃燒室數(shù)值模擬的周期過長，阻礙了CFD方法在燃燒室設(shè)計中的應(yīng)用［5－7］。

參數(shù)化數(shù)值模擬方法是解決上述問題的最好方法。Tangirala等人［8］最早提出了參數(shù)化模擬方法，分析了一個單環(huán)GE航空發(fā)動機燃燒室兩個與幾何相關(guān)的參數(shù)對出口溫度場的影響；Malecki等人［9－10］也采用參數(shù)化模擬方法對PW6000燃燒室進行模擬，都證明了該方法可以大大縮短模擬的周期；Motsamai等人［11］、Pegemanyfar等人［12－13］指出在參數(shù)化模擬的基礎(chǔ)上引入優(yōu)化算法可以進一步縮短燃燒室的設(shè)計周期。盡管國外的研究機構(gòu)與企業(yè)已經(jīng)在這方面開展了大量的研究工作，但公開發(fā)表的文獻基本僅限于介紹性內(nèi)容，不涉及實現(xiàn)的細節(jié)，而且在自動優(yōu)化設(shè)計方面研究還未深入。國內(nèi)相關(guān)研究較少，還處于起步階段。

本文首先在傳統(tǒng)CFD方法的基礎(chǔ)上整理了燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計方法的思路，然后在現(xiàn)有成熟軟件UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post的基礎(chǔ)上，通過UG／Open API、ANSYSWorkbench腳本以及C語言編程實現(xiàn)了這種參數(shù)化的CFD設(shè)計方法，之后通過簡單算例驗證了該方法的可行性和高效性，最后簡述了該方法在實際的燃燒室設(shè)計過程中的三個應(yīng)用，充分證明了參數(shù)化CFD方法在燃燒室設(shè)計中的優(yōu)勢。

1 思路

根據(jù)燃燒室設(shè)計的特點梳理了參數(shù)化方法的流程，如圖1所示，包括七大功能模塊：

a．初步設(shè)計：其主要功能是根據(jù)燃燒室設(shè)計要求采用一維氣動分析方法確定擴壓器、旋流器、火焰筒及其冷卻的結(jié)構(gòu)類型、尺寸，并獲得燃燒室沿程氣動熱力參數(shù)分布，完成燃燒室的總體設(shè)計。

b．三維流場的參數(shù)化幾何建模：建立燃燒室的實體幾何模型能進行結(jié)構(gòu)強度的計算，但不能進行流場的計算，所以還需要創(chuàng)建燃燒室對應(yīng)的流場計算域的幾何模型；而幾何參數(shù)化是實現(xiàn)參數(shù)化CFD設(shè)計的關(guān)鍵一步。

c．劃分網(wǎng)格：流場計算域幾何模型必須經(jīng)過劃分網(wǎng)格才能進行CFD計算，不僅要求網(wǎng)格的質(zhì)量滿足計算的精度，得到與網(wǎng)格無關(guān)的解，而且要求對復(fù)雜幾何模型改型設(shè)計時，能快速自動完成網(wǎng)格劃分，該模塊的功能就是快速自動生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

d．前處理：計算前的主要處理工作包括建立湍流、傳熱、燃燒等各種數(shù)理模型，設(shè)定進出口等邊界條件，設(shè)定初始條件，以及設(shè)置計算收斂判據(jù)等。

e．計算：在上述模塊的基礎(chǔ)上，計算的運行過程，無論是傳統(tǒng)的方法還是參數(shù)化方法，這個過程是一樣的。

f．后處理：計算后獲得流場的壓力、速度、溫度等數(shù)據(jù)，該模塊的功能就是通過定義一些數(shù)學(xué)函數(shù)得到想要的數(shù)據(jù)，例如在燃燒室出口截面上應(yīng)用流量平均計算函數(shù)得到燃燒室的OTDF（出口溫度分布系數(shù)）。

g．調(diào)整算法：根據(jù)計算得到的燃燒室性能對燃燒室設(shè)計進行改進，是連接當(dāng)前設(shè)計方案與改進方案的橋梁。

與傳統(tǒng)方法相比，燃燒室參數(shù)化的CFD設(shè)計方法具有如下的優(yōu)點：

1）相鄰功能模塊間無縫關(guān)聯(lián)，不再需要導(dǎo)入導(dǎo)出不同類型的文件。

2）增加燃燒室初步設(shè)計功能，減少燃燒室設(shè)計過程中修改的次數(shù)，而且可以不斷完善此模塊的功能，逐步提高初步設(shè)計的可靠性。

3）嵌入調(diào)整算法，根據(jù)計算得到的燃燒室性能修改燃燒室，并對改進后的燃燒室自動進行CFD計算，直到燃燒室的性能滿足設(shè)計要求為止。

4）在上述優(yōu)點的綜合作用下，避免了大量的重復(fù)操作，大大縮短燃燒室的CFD設(shè)計周期，而且通過不斷積累經(jīng)驗、繼承方法、建立數(shù)據(jù)庫，可以進一步縮短設(shè)計周期。

2 實現(xiàn)

根據(jù)燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計方法的思路，該方法的具體實現(xiàn)可謂見仁見智，作者認為圖1中b、c、d、e、f的功能龐大，可以充分利用現(xiàn)有的成熟軟件，因此分別選用了UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post完成對應(yīng)功能，如圖2所示。UG提供參數(shù)化設(shè)計的建模方法，通過草圖繪制、成型特征定義幾何約束、尺寸約束，自動維護特征間的關(guān)聯(lián)，并以表達式的形式存儲幾何特征參數(shù)，能夠滿足b的要求［14］。ICEM CFD能有效劃分非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。FLUENT可以通過Scheme腳本語言控制物理模型、邊界條件、初始條件以及整個計算過程。在CFD-Post中使用數(shù)學(xué)函數(shù)、積分函數(shù)、物理變量、幾何面體來建立表達式，用表達式計算燃燒室性能參數(shù)［15］。而a、g的功能則根據(jù)燃燒室的設(shè)計經(jīng)驗公式通過C語言編程來實現(xiàn)。

UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post所生成的文件的類型是不同的，如何避免不同類型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出，使它們無縫關(guān)聯(lián)是至關(guān)重要的。UG／Open API是UG與外部應(yīng)用程序之間的接口，它提供了一系列函數(shù)，通過C語言編程調(diào)用這些函數(shù)，幾乎能實現(xiàn)所有的UG功能［16］，更重要的是可以將a得到的幾何參數(shù)傳遞到b，用幾何參數(shù)控制流場幾何模型。在ANSYSWorkbench軟件平臺上，ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post之間順序無縫關(guān)聯(lián)，并可以通過Workbench腳本語言進行控制。而且UG與Workbench之間有數(shù)據(jù)接口，所以利用UG／Open API和Workbench腳本通過C語言編程可以實現(xiàn)燃燒室參數(shù)化的CFD設(shè)計方法。

3 驗證

燃燒室的結(jié)構(gòu)和部件多種多樣，設(shè)計要求也很多，為了簡化研究，選擇了一個簡單的筒形回流燃燒室為研究對象，頭部有一軸向旋流器，僅考慮主燃孔、補燃孔和摻混孔，而忽略冷卻結(jié)構(gòu)，如圖3所示。采用參數(shù)化CFD設(shè)計方法，燃燒室的設(shè)計參數(shù)包括：入口空氣總溫、總壓、流量，總壓損失系數(shù)；幾何參數(shù)包括：燃燒室參考截面直徑，火焰筒長度、直徑，主燃孔、補燃孔和摻混孔的直徑及數(shù)目；性能參數(shù)包括：流量分配規(guī)律、總壓恢復(fù)系數(shù)。設(shè)計的目標(biāo)是通過調(diào)整開孔面積滿足總壓損失和流量分配要求。驗證的內(nèi)容有：1）初步設(shè)計程序，根據(jù)設(shè)計參數(shù)和經(jīng)驗參數(shù)得到幾何參數(shù)，確定燃燒室初步設(shè)計方案；2）調(diào)整算法，根據(jù)當(dāng)前方案的流量分配、總壓損失與主燃孔、補燃孔和摻混孔開孔面積的關(guān)系，改進設(shè)計方案；3）遍歷參數(shù)化CFD設(shè)計方法的整個流程。兩個驗證算例，其設(shè)計參數(shù)、主要經(jīng)驗參數(shù)和幾何參數(shù)如表1所示。調(diào)整算法的流程如圖4所示，其中Ai為面i的面積，Δp為總壓損失，Δp0為設(shè)計總壓損失，cm0i為面i的設(shè)計流量系數(shù)。

兩個算例通過參數(shù)化CFD模擬得到的性能與設(shè)計要求的偏差隨著方案調(diào)整次數(shù)的變化趨勢分別如圖5和圖6所示。兩個算例初始設(shè)計方案的性能與設(shè)計要求的偏差都大于5%，但小于16%，偏差并不大，說明初始設(shè)計較合理；算例1經(jīng)過一次調(diào)整計算，得到了偏差均小于5%的方案；算例2經(jīng)過兩次調(diào)整計算，得到了偏差均小于5%的方案，說明調(diào)整算法是有效的。

如表2所示，對于算例1而言，采用參數(shù)化CFD設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法所需要的操作時間是相當(dāng)?shù)?。參?shù)化CFD設(shè)計方法在編寫腳本文件、C語言編程、建立參數(shù)化幾何模型三個方面需要花費大量的時間。而且燃燒室越復(fù)雜，幾何參數(shù)越多，建立參數(shù)化幾何模型所需的時間也越多；燃燒室設(shè)計參數(shù)越多、越嚴(yán)格，性能參數(shù)越不容易滿足，調(diào)整算法就越復(fù)雜，編程所需時間也就越多。這時參數(shù)化CFD設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法相比優(yōu)勢并不明顯，甚至可能還要花費更多的時間。然而再看算例2，如表3所示，參數(shù)化CFD設(shè)計方法僅需花費0．5h來修改設(shè)計參數(shù)和經(jīng)驗參數(shù)，之后所有設(shè)計過程即可自動進行，相比傳統(tǒng)方法所需的18h，優(yōu)勢顯而易見。這是因為算例2與算例1是一個燃燒室類的不同實例，所用的參數(shù)和方法相同，僅在參數(shù)取值上有所不同?？梢妳?shù)化CFD設(shè)計方法是可行的和高效的。

4 應(yīng)用

4．1 比較雙級旋流器不同幾何參數(shù)對流場的影響

研究雙級旋流器四個幾何參數(shù)對流場的影響，四個幾何參數(shù)分別為：一級旋流器斜切孔的周向傾斜角、直徑，二級旋流器葉片安裝角、出口外半徑。不同幾何參數(shù)組合成了19種設(shè)計方案，采用參數(shù)化CFD設(shè)計方法，快速比較了各個方案對流場的影響，詳細內(nèi)容見參考文獻［17］。表4比較了參數(shù)化CFD方法與傳統(tǒng)方法所需要的操作時間，可見幾何參數(shù)越多，設(shè)計方案越多，參數(shù)化方法用于方案比較時的優(yōu)勢也越明顯。

4．2 某型燃燒室開孔規(guī)律迭代設(shè)計

某型燃燒室火焰筒有兩種冷卻結(jié)構(gòu)：發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)和沖擊冷卻結(jié)構(gòu)。采用參數(shù)化CFD設(shè)計方法，分別設(shè)計兩種結(jié)構(gòu)的開孔規(guī)律，然后比較兩種結(jié)構(gòu)的流場分布。首先建立兩種冷卻結(jié)構(gòu)對應(yīng)的參數(shù)化的流場幾何模型，如圖7所示。采用圖4所示的算法調(diào)整幾何參數(shù)滿足流量分配和總壓的設(shè)計要求。最后得到的兩種冷卻結(jié)構(gòu)的速度分布如圖8所示。如表5和表6所示，相對傳統(tǒng)方法而言，參數(shù)化方法能大大縮短設(shè)計的周期。

4．3 某型燃燒室不同工況性能比較

某型燃燒室在四個典型工況下運行，如表7所示，采用參數(shù)化CFD設(shè)計方法，用工況參數(shù)來控制邊界條件和初始條件，進行計算，得到不同工況下的性能參數(shù)（表8）以及溫度分布（圖9）。表9比較了兩種方法所需的操作時間，可見前后處理越復(fù)雜，比較的工況越多，參數(shù)化CFD方法相對傳統(tǒng)方法越節(jié)省操作時間。

5 結(jié)論

本文首先綜述了燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計方法的思路，該方法包括七大功能模塊：初步設(shè)計、三維流場的參數(shù)化幾何建模、網(wǎng)格劃分、前處理、計算、后處理以及調(diào)整算法。然后在成熟軟件UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post的基礎(chǔ)上，通過UG／Open API、ANSYSWorkbench腳本以及C語言編程實現(xiàn)了這種參數(shù)化的CFD設(shè)計方法，并通過算例驗證了這種實現(xiàn)手段的可行性和參數(shù)化方法的高效性。最后簡述了該方法在實際的燃燒室設(shè)計過程中的三種應(yīng)用：1）快速比較燃燒室及其部件的不同幾何參數(shù)方案，2）自動迭代設(shè)計火焰筒開孔規(guī)律以滿足流量分配和總壓損失要求，3）快速比較燃燒室不同工況下的性能，充分證明了參數(shù)化CFD方法在燃燒室設(shè)計中的優(yōu)勢。

［1］ 焦樹建．燃氣輪機燃燒室（修訂本）［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1990：1- 16．

［2］ Mohammad B Sand Jeng SM．Design procedures and a developed computer code for preliminary single annular combustor design［C］．AIAA Paper，Denver，America，2009- 5208．

［3］ Mongia H C．Aero-thermal design and analysisof gas turbine combustion systems：current status and future direction［C］．AIAA Paper，Cleveland，OH，1998- 3982．

［4］ Rizk N K and Mongia H C．Semianalytical correlations for NOx，CO and UHC emissions［J］．Journal of Engineering for Gas Turbine and Power，1993，115（1）：603- 611．

［5］ Samareh JA．Status and future of geometrymodeling and grid generation of design and optimization［J］．Journal of Aircraft，1999，36（1）：97- 104．

［6］ DawesW N．Reducing bottlenecks in the CAD-to-mesh-to-solution cycle time to allow CFD to participate in design［J］．Journal of Turbomachinery，2001，123（1）：552- 557．

［7］ Lai M K，Reynolds R S and Armstrong J．CFD-based，parametric，design tool for gas turbine combustors from compressor deswirl exit to turbine inlet［C］．Proceedings of ASME Turbo Expo，Amsterdam，The Netherlands，2002- 30090．

［8］ Tangirala V E，et al．Parametric modeling approach to gas turbine combustion design［C］．Proceedings of ASME Turbo Expo，2000-0129．

［9］ MaleckiR E，etal．Application of a CFD-based analysis system to the PW6000 combustor to optimize exit temperature distributionpart I：description and validation of the analysis tool［C］．Proceedings of ASME Turbo Expo，2001- 0062．

［10］ Snyder T S，etal．Application of a CFD-based analysis system to the PW6000 combustor to optimize exit temperature distributionpartⅡ：comparison of predictions to full annular rig test data［C］．Proceedings of ASME Turbo Expo，2001- 0064．

［11］ Motsamai O S，et al．Multi-disciplinary design optimization of a combustor［J］．Engineering Optimization，2008，40（2）：137-156．

［12］ Pegemanyfar N，et al．Development of an automated preliminary combustion chamber design tool［C］．Proceedings of ASME Turbo Expo，2006- 90430．

［13］ Pegemanyfar N，et al．Automated CFD analysis within the preliminary combustor design system PRECODES utilizing improved coolingmodels［C］．Proceedings of ASME Turbo Expo，2007-27409．

［14］ 黃勇．UG／Open API、MFC和COM開發(fā)實例精解［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2009：119- 162．

［15］ 浦廣益．ANSYSWorkbench 12基礎(chǔ)教程與實例詳解［M］．北京：中國水利水電出版社，2010：34- 64．

［16］ 黃勇．UG／Open API、MFC和COM開發(fā)實例精解［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2009：1- 7．

［17］ 段冬霞，崔玉峰．基于參數(shù)化建模方法的雙級旋流器流場研究［J］．燃氣輪機技術(shù)，2012，25（2）：12- 20．

Parametric CFD Design M ethod of Gas Turbine Combustors

DUAN Dong-Xia，CUIYu-Feng，NIE Chao-Qun
（Key Laboratory of Advanced Energy and Power，Chinese Academy of Science（Institute of Engineering Thermophysics），Beijing 100190，China）

Firstly，the implement roadmap of thismethod is described based on traditional CFDmethod，in which all functionalmodules are seamlessly connected together through parametric variables and the combustor structures can be improved by adopting adjustment algorithms based on the preliminary design scheme．Also，CFD analysis of the improved scheme can be carried outautomatically．Furthermore，its functions will bemore powerful through the accumulation of empirical relationships，adjustment algorithms and structure data．Secondly，thismethod is realized by applying UG／Open API，ANSYSWorkbench scripts and C programming based on some commercial softwares．Then its feasibility and high efficiency are demonstrated through a case．Finally，three applications of themethod in the actual combustor design process are briefly described，which prove the advantages of the parametric CFD designmethod of gas turbine combustors．

gas turbine combustor；parametric；CFD；designmethod

TK472

A

1009- 2889（2014）02- 0008- 06

2013- 09- 02改稿日期：2013- 09- 29

工業(yè)和信息化部民用飛機關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究課題。

段冬霞（1985-），女，工學(xué)碩士，主要從事燃氣輪機燃燒室參數(shù)化建模、優(yōu)化設(shè)計等研究．E-mail：dongxiaduan＠126．com。