航空發(fā)動機燃燒室研發(fā)中的數(shù)值仿真探討

■ 索建秦 馮翔洲 梁紅俠 巨翃宇 黎明 / 西北工業(yè)大學(xué)

數(shù)值仿真在燃燒室設(shè)計和研發(fā)的每一個階段都可以發(fā)揮重要的作用，一方面可以節(jié)約研究經(jīng)費、縮短研發(fā)周期；另一方面可以幫助研發(fā)人員理解和解釋研究結(jié)果，進一步指導(dǎo)設(shè)計和研發(fā)工作。

數(shù)值仿真技術(shù)誕生于20世紀(jì)50年代，它是利用電子計算機，依靠數(shù)值解法和圖像顯示方法，對基本物理現(xiàn)象和工程問題進行數(shù)字模擬研究。數(shù)值仿真的適用范圍和計算精度在很大程度上受限于計算平臺性能（硬件和軟件）、數(shù)值算法和各種物理模型。燃燒室是發(fā)動機核心機的三大部件之一，接收來自壓氣機的高壓空氣，通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能以驅(qū)動渦輪，進而帶動壓氣機做功，因此燃燒室被稱為發(fā)動機的“心臟”。隨著計算機技術(shù)及數(shù)值模擬方法的發(fā)展，針對燃燒室的數(shù)值模擬近年快速發(fā)展，圍繞燃燒室內(nèi)復(fù)雜的物理化學(xué)過程開展了大量的數(shù)值仿真研究，并取得了一定的進展。

燃燒室工作特點、研發(fā)體系和研發(fā)特點

燃燒室工作特點

燃燒室的工作條件非常苛刻，是發(fā)動機中承受最高壓力和最高溫度的部件。來自壓氣機的空氣在燃燒室進口達到整個發(fā)動機中的最高壓力，目前在研的發(fā)動機燃燒室進口壓力高達7MPa；燃燒室進口的氣流速度很高，目前可達到200m/s；燃燒室的工作溫度也非常高，核心燃燒區(qū)燃?xì)鉁囟瓤梢赃_到2400K以上，遠高于目前已有材料的熔點，因此火焰筒除使用高溫合金材料外，還必須采用高效的冷卻技術(shù)，以降低火焰筒的表面溫度。

盡管燃燒室工作條件十分苛刻，其性能要求卻不斷提高。燃燒室的性能包括點火性能（地面和高空、高原和高寒條件下）、熄火性能（慢車貧油、吞水和吞冰及武器發(fā)射情況下）、燃燒效率、污染排放、出口溫度分布、噴嘴積炭、壽命、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量等方面的要求[1]。

燃燒室研發(fā)體系

燃燒室設(shè)計研發(fā)體系包含5個階段。第一和第二階段屬于預(yù)先研究的范圍。在第一階段中，針對基本概念中可能出現(xiàn)的問題進行科學(xué)研究。第二階段為方案選擇設(shè)計研究，要明確燃燒室整體技術(shù)方案和各零部件的技術(shù)方案。第三階段是技術(shù)研發(fā)階段，針對燃燒室的技術(shù)研發(fā)，縱向地往下進入初步設(shè)計。第四階段是型號研發(fā)，結(jié)合方案選擇設(shè)計研究中的總體方案、技術(shù)研發(fā)階段的技術(shù)定型結(jié)果、售后服務(wù)中問題的信息反饋、總體和性能部門的要求以及循環(huán)參數(shù)，開始型號研究計劃，型號研發(fā)不允許失敗。第五階段是產(chǎn)品服役后的售后服務(wù)階段，在這一階段中設(shè)計上仍需不斷地改進。

燃燒室研發(fā)特點

在燃燒室設(shè)計過程中，要滿足諸多性能方面的要求，設(shè)計上的舉措往往是互相矛盾的，為改善其中的一個性能問題，設(shè)計上的舉措可能導(dǎo)致另一個性能惡化，設(shè)計者必須在諸多的選項中做出妥協(xié)和折中。目前，燃燒室研發(fā)仍以試驗為主，所有的設(shè)計均需要試驗驗證。

隨著飛機對發(fā)動機要求的不斷提高，對燃燒室的要求也愈來愈高，其研發(fā)難度大為提高。一方面燃燒室的許多性能要求會導(dǎo)致設(shè)計上的舉措互相矛盾，例如，高溫升燃燒室中大工況下冒煙與小工況下貧油熄火的矛盾，低污染燃燒室中氮氧化物（NOx）排放與一氧化碳（CO）排放的矛盾等。另外，燃燒室研發(fā)還具有周期長和資金需求高等特點。

數(shù)值仿真在燃燒室研發(fā)中的地位與作用

燃燒室研發(fā)體系[2]

近年來，數(shù)值仿真在燃燒室方面的應(yīng)用也得到快速的發(fā)展，在燃燒室設(shè)計研發(fā)過程的各階段發(fā)揮作用。燃燒室的數(shù)值仿真結(jié)果可以幫助研發(fā)人員進一步理解燃燒室中的各種物理現(xiàn)象，解釋研究結(jié)果，總結(jié)變化規(guī)律和設(shè)計方法。數(shù)值仿真可在一定程度上節(jié)約研究經(jīng)費并縮短研發(fā)周期。針對已有的試驗結(jié)果，將試驗總結(jié)出的參數(shù)、經(jīng)驗公式等耦合進數(shù)值仿真軟件中，對試驗中遇到的問題進行有針對性的研究。這樣既保證計算結(jié)果能基本符合定性要求，又可以減少試驗次數(shù)，達到節(jié)約經(jīng)費及縮短研發(fā)周期的目的。

需要強調(diào)的是，燃燒室仿真不等于燃燒仿真。因為航空發(fā)動機燃燒室工作過程非常復(fù)雜，其仿真與燃燒仿真有很大的不同。

燃燒室的工作過程包含復(fù)雜的霧化、蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)過程。在霧化液滴尺寸分布方面，目前缺少高反壓下噴入高溫空氣中的燃油霧化數(shù)據(jù)、初始液霧質(zhì)量、液滴尺寸、初始噴射速度及方向等隨噴嘴出口徑向、軸向或周向分布的數(shù)據(jù)，因此仿真結(jié)果往往與實際相差較大；針對多組分燃料液滴的蒸發(fā)，數(shù)值仿真中常用單組分燃油替代多組分燃油作簡化處理，這對仿真結(jié)果中的油氣分布以及出口溫度分布也有很大影響；針對復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程，用總包反應(yīng)進行替代完全不可行，對于NOx排放和冒煙計算，采用8個或10個方程組成的簡化機理也遠遠不夠。

綜上所述，結(jié)合數(shù)值仿真優(yōu)勢，再考慮到燃燒室內(nèi)復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)過程，在燃燒室氣動熱力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中均可應(yīng)用數(shù)值仿真方法，下文將逐一進行介紹。

數(shù)值仿真在燃燒室氣動熱力設(shè)計中的應(yīng)用

燃燒室內(nèi)空氣流動——擴壓器

在設(shè)計階段，數(shù)值仿真可用于研究不同結(jié)構(gòu)擴壓器中的流動特性。利用數(shù)值仿真方法，可以模擬出分離點位置以及分離點后流場結(jié)構(gòu)，尋找出引起流動損失的關(guān)鍵因素。依據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，可以對擴壓器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，防止邊界層分離過早的發(fā)生，降低擴壓器的總壓損失。

燃燒室內(nèi)空氣流動——火焰筒

在設(shè)計燃燒室頭部及火焰筒時，為了獲得良好的燃燒性能，首先需要一個合理的流場結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值仿真技術(shù)，可以對火焰筒內(nèi)部流動特性進行研究。不僅可以得到火焰筒內(nèi)剪切層、回流區(qū)大小和分布情況，也可以獲得火焰筒內(nèi)氣流的流量分配比例以校驗設(shè)計方案。通過改變旋流器關(guān)鍵參數(shù)，流場結(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生變化，進而影響到燃燒特性。

燃油噴射及油氣混合

擴壓器內(nèi)流動速度矢量圖[3]

火焰筒內(nèi)軸向速度云圖與流線圖[4]

針對燃油噴射、霧化及油氣混合過程，通過數(shù)值仿真技術(shù)，可以獲得噴嘴下游油霧的非定常破碎及霧化過程，探究流動和噴嘴參數(shù)對破碎及霧化的作用；還可以獲得燃燒室頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣動參數(shù)對燃油霧化過程、液滴空間分布及油氣比分布的影響規(guī)律；也可得到油氣比三維空間混合及分布的情況，為燃燒室頭部模型優(yōu)化提供依據(jù)。

點火/熄火

燃燒室點火/熄火過程總是伴隨著相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，燃燒區(qū)的回流區(qū)尺寸、流場結(jié)構(gòu)以及油氣分布均會影響燃燒室的點火/熄火性能。通過數(shù)值仿真方法，一方面可以得到燃燒室內(nèi)瞬態(tài)點火/熄火過程，闡明火核形成、傳播發(fā)展、火焰穩(wěn)定以及熄火的變化過程，確定影響燃燒室點火/熄火過程的關(guān)鍵參數(shù)，獲得燃燒室內(nèi)火焰穩(wěn)定機理；另一方面通過研究燃燒室點火/熄火邊界隨燃燒室關(guān)鍵特征參數(shù)變化的影響規(guī)律，揭示流場和油霧分布與點火/熄火之間的相互作用，并研究燃燒室點火/熄火邊界隨關(guān)鍵特征參數(shù)的變化規(guī)律。

燃燒室性能

燃燒室性能參數(shù)主要包括燃燒效率、總壓損失、污染排放和出口溫度分布。目前，燃燒效率最常用的測試方法為燃?xì)夥治龇?，利用?shù)值仿真技術(shù)，通過提取燃燒室出口的EICO和EIHC數(shù)值即可計算得出。燃燒室總壓損失對發(fā)動機效率和耗油率有很大影響，利用數(shù)值仿真方法，確定影響燃燒室總壓損失的因素，為方案改進提供依據(jù)。燃燒室污染物主要包括CO、NOx、未燃碳?xì)浠衔锖吞碱w粒等，利用數(shù)值仿真方法，一方面可以通過監(jiān)測出口截面污染物組分?jǐn)?shù)值，完成污染物測量；另一方面，也可通過研究燃燒過程分析污染物生成機理，為方案改進提供依據(jù)。燃燒室出口溫度分布要求是渦輪壽命的根本保證，利用數(shù)值仿真可以對出口截面的溫度分布及其影響因素進行研究，為出口溫度分布調(diào)試提供依據(jù)。

點火過程試驗與數(shù)值仿真對比圖[5]

燃燒室性能數(shù)值仿真圖[6]

火焰筒冷卻及壁面溫度分布

火焰筒及頭部均需要冷卻，使其在相應(yīng)氣動熱負(fù)荷及材料下，工作溫度可以保證燃燒室要求的壽命。與試驗方法相比，利用數(shù)值仿真可以得到火焰筒壁面上每一點的溫度和溫度梯度分布。此外也可以更直觀地看到熱點的數(shù)值與分布情況。因此，可以更全面地反應(yīng)火焰筒的冷卻效果，可為火焰筒壽命評估提供數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)值仿真在燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

火焰筒和機匣強度

燃燒室在工作時，火焰筒表面存在一定的溫度梯度，進而產(chǎn)生熱應(yīng)力。利用數(shù)值仿真方法，可以研究不同工況下，火焰筒與機匣的結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)隨燃燒室內(nèi)溫度變化的規(guī)律，通過分析熱應(yīng)力的影響因素為火焰筒熱防護和機匣強度設(shè)計提供依據(jù)[8]。

裝配關(guān)系

燃燒室是由大量零部件組裝而成的。在設(shè)計階段，要確定零件的裝配位置、裝配順序及噴嘴的安裝與取出方案。利用仿真系統(tǒng)可進行燃燒室的虛擬裝配，從而詳細(xì)地展示整個拆裝的工藝流程，包括工具的選擇和拆裝步驟等。這對于燃燒室乃至發(fā)動機的知識普及和教學(xué)培訓(xùn)都有積極的效果[9]。

火焰筒壁溫分布圖[7]

支撐對流動和性能的影響

擴壓器與火焰筒的支承結(jié)構(gòu)以及燃油噴嘴/桿均會對燃燒室內(nèi)部流動和燃燒性能產(chǎn)生影響，利用數(shù)值仿真技術(shù)能夠評估其對燃燒室性能的影響，指導(dǎo)燃燒室內(nèi)部支撐方式及燃油噴嘴/桿布局的優(yōu)化。

燃燒室數(shù)值仿真體系建設(shè)

目前，商用軟件在燃燒室數(shù)值仿真研究中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，為了建設(shè)自主的數(shù)值仿真體系，需要做到以下幾點。

首先，需要自主研發(fā)燃燒室專用的數(shù)值仿真軟件，包括網(wǎng)格劃分、針對燃燒室數(shù)值仿真計算的算法以及模型和后期數(shù)據(jù)處理軟件等。這些均需要自主編寫的源代碼支撐。

其次，需要統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施。統(tǒng)一規(guī)劃需要總體部門對整機數(shù)值仿真體系進行規(guī)劃,分步實施主要從3個方面體現(xiàn)： 第一，針對整機，需要先進行單獨部件，例如壓氣機、燃燒室、渦輪的數(shù)值仿真研究，再進行整機數(shù)值仿真；第二，針對單獨部件，例如燃燒室，需要從簡單到復(fù)雜逐步開展數(shù)值仿真工作；第三，針對硬件基礎(chǔ)，需要搭建強大的計算平臺，開發(fā)高效的并行算法以提高計算效率，縮短研發(fā)周期。

最后，需要加強不同學(xué)科之間，科研院所、高校及企業(yè)間的合作，充分共享研究成果，整合資源，建設(shè)規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)庫，全面提升數(shù)值仿真能力，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，促進技術(shù)創(chuàng)新[10]。

結(jié)束語

數(shù)值仿真技術(shù)可以在發(fā)動機燃燒室的研發(fā)中發(fā)揮重要的作用。為了進一步發(fā)展我國的航空發(fā)動機事業(yè)，我們一定要立足自主研發(fā)之路，尊重科學(xué)發(fā)展規(guī)律，突破核心關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)揚持之以恒精神，充分發(fā)揮舉國體制的優(yōu)勢，盡快建成中國獨立自主的航空發(fā)動機及燃燒室數(shù)值仿真體系。