航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)工程應(yīng)用分析

■ 尚守堂 林宏軍 程明 馬宏宇 朱健 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

隨著計(jì)算流體力學(xué)和燃燒仿真模型的迅速發(fā)展，以數(shù)值仿真為主的燃燒室設(shè)計(jì)方法逐步取代以大量試驗(yàn)為主的常規(guī)設(shè)計(jì)方法成為可能，并為以最短的周期和最少的費(fèi)用設(shè)計(jì)出高水平的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑。

主燃燒室和加力燃燒室（如圖1、圖2所示）是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，其燃燒性能的優(yōu)劣將直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能、動(dòng)力輸出和污染排放。燃燒室的工程研發(fā)具有學(xué)科集成度高、技術(shù)難度大、研發(fā)周期長(zhǎng)、研制風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，其研發(fā)過(guò)程通常需要依賴(lài)大量的物理試驗(yàn)。出于降低研制成本、縮短研制周期和減少對(duì)物理試驗(yàn)依賴(lài)的初衷，20世紀(jì)70年代以來(lái)，燃燒數(shù)值仿真技術(shù)被引入到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)和型號(hào)優(yōu)化過(guò)程中，使得燃燒室設(shè)計(jì)由基于物理樣機(jī)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法逐步轉(zhuǎn)向基于燃燒虛擬仿真的設(shè)計(jì)方法。尤其是近年來(lái)，隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)和燃燒仿真理論的迅速發(fā)展，燃燒數(shù)值仿真相關(guān)的物理、化學(xué)模型不斷完善，使得數(shù)值仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程研制過(guò)程中的作用日益突出，為燃燒室工程研制提供了新的技術(shù)手段。

燃燒室數(shù)值仿真工程應(yīng)用的背景

燃燒室設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

燃燒室作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的主要來(lái)源，其研制的過(guò)程受到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注，通常在其工程設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注如下技術(shù)問(wèn)題。

圖1 典型主燃燒室示意

圖2 加力燃燒室示意

圖3 主燃燒室/加力燃燒室綜合燃燒性能評(píng)估

一是燃燒室氣動(dòng)熱力性能評(píng)估與優(yōu)化（如圖3 所示）。主要關(guān)注主燃燒室和加力燃燒室的總壓損失、燃燒效率、出口溫度等氣動(dòng)熱力性能參數(shù)，相關(guān)參數(shù)的評(píng)估和優(yōu)化對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能有重要影響，必須在設(shè)計(jì)期間進(jìn)行全面評(píng)估和優(yōu)化。

二是燃燒室點(diǎn)火、熄火與動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中燃燒室的點(diǎn)火、熄火特性和動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用包線、加速性和可靠性影響很大，工程分析與預(yù)測(cè)的方法并不完善，技術(shù)難度高，在設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)關(guān)注。

三是燃燒室構(gòu)件裝配與變形協(xié)調(diào)仿真及冷卻、換熱分析和強(qiáng)度壽命評(píng)估。燃燒室構(gòu)件冷態(tài)裝配與熱態(tài)變形協(xié)調(diào)，以及因高溫引起的剛度、強(qiáng)度和壽命問(wèn)題突出。因此在設(shè)計(jì)中，需要掌握構(gòu)件冷態(tài)裝配與熱態(tài)變形協(xié)調(diào)情況、冷卻與換熱特性和強(qiáng)度壽命狀況，重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)件冷態(tài)裝配配合與熱態(tài)變形協(xié)調(diào)仿真，以及溫度分析和強(qiáng)度壽命評(píng)估，改進(jìn)和優(yōu)化構(gòu)件的溫度和載荷分布，提升其工作的可靠性。

四是燃燒室詳細(xì)燃燒過(guò)程研究。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，燃燒室部件內(nèi)部燃燒過(guò)程的詳細(xì)分析將對(duì)燃燒室部件設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)參考，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)“正向設(shè)計(jì)”需求的提出。以往單純的對(duì)燃燒室宏觀性能參數(shù)的獲取與分析，已不能滿(mǎn)足先進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)需要，燃燒過(guò)程的精細(xì)化研究成為燃燒室工程設(shè)計(jì)所關(guān)注的新的發(fā)展方向。

數(shù)值仿真對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)的作用

針對(duì)上述燃燒室工程設(shè)計(jì)所關(guān)注的重要問(wèn)題，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是在燃燒室設(shè)計(jì)中采用燃燒室設(shè)計(jì)結(jié)合工程燃燒室試驗(yàn)開(kāi)展研制。而隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算燃燒學(xué)的迅速發(fā)展，以及燃燒室仿真技術(shù)在工程應(yīng)用中的逐步深入，使得以基于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、燃燒診斷為主的全新燃燒室設(shè)計(jì)方法取代以大量試驗(yàn)為主的常規(guī)設(shè)計(jì)方法成為可能。例如，在燃燒室方案設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)值仿真手段，可為方案篩選、性能評(píng)估與方案優(yōu)化提供必要的技術(shù)支撐；在燃燒室的詳細(xì)設(shè)計(jì)中，通過(guò)燃燒室部件氣動(dòng)參數(shù)與燃燒性能的計(jì)算分析，可以模擬燃燒的全過(guò)程,增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員對(duì)內(nèi)部燃油霧化、兩相流動(dòng)與火焰?zhèn)鞑サ任锢砘瘜W(xué)過(guò)程規(guī)律的理解，為設(shè)計(jì)中多參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題和關(guān)鍵參數(shù)的選取提供技術(shù)參考；而在工程驗(yàn)證階段，通過(guò)開(kāi)展燃燒室的虛擬試驗(yàn)和遍歷性仿真，將有效發(fā)揮其“試驗(yàn)前預(yù)測(cè)”的能力，大大減少試驗(yàn)工作量，提高燃燒室研發(fā)的質(zhì)量，節(jié)約經(jīng)費(fèi)，有效降低研制的風(fēng)險(xiǎn)和成本，縮短研制周期。

燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)的工程應(yīng)用現(xiàn)狀

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制過(guò)程中，燃燒數(shù)值仿真技術(shù)的工程應(yīng)用可有效縮短燃燒室的研制周期，減少試驗(yàn)的數(shù)量和設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，因而備受重視。各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司一直以來(lái)高度關(guān)注燃燒室仿真技術(shù)及軟件的開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用（如圖4所示）。各研發(fā)機(jī)構(gòu)除采用ANSYS、Fluent、CFX、Star-CCM+等商用軟件開(kāi)展燃燒室性能評(píng)估和方案設(shè)計(jì)外，針對(duì)工程應(yīng)用需求，基于工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)還自主開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的仿真軟件，推動(dòng)燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用。

針對(duì)數(shù)值仿真對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制的支撐需求，美國(guó)先后實(shí)施了燃燒室模擬評(píng)估（CME）、國(guó)家燃燒計(jì)算模塊（NCC）、燃燒室設(shè)計(jì)模擬評(píng)估（CDME）、推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真（NPSS）等一系列數(shù)值模擬領(lǐng)域的重大研究計(jì)劃，逐步推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，并通過(guò)仿真方法的工程應(yīng)用，驗(yàn)證了仿真技術(shù)的適用性，提升了燃燒室性能評(píng)估的精度。

同時(shí)，GE航空集團(tuán)、普惠公司和羅羅公司等針對(duì)燃燒室工程研制的需要，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的燃燒室性能仿真軟件，如GE航空集團(tuán)的CONCERT湍流燃燒軟件、普惠公司的 PREACH軟件包、羅羅公司的PACE、PRECISE軟件包和賽峰集團(tuán)的AVBP軟件等，并結(jié)合商用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）程序，如ANSYS、Fluent等， 用于生產(chǎn)型和研究型燃燒室的性能預(yù)估，并指導(dǎo)新型燃燒室的設(shè)計(jì)。

在燃燒室性能預(yù)測(cè)方面，GE航空集團(tuán)基于燃燒室研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的用于燃燒室性能研究的“無(wú)附加因素”試驗(yàn)前預(yù)測(cè)方法，完成了針對(duì)頭部富油和頭部貧油的旋流杯燃燒室，包括單環(huán)腔燃燒室（SAC）和雙環(huán)腔燃燒室（DAC）；雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室（TAPS）和三環(huán)腔頭部的干低排放的DACRS混合器燃燒室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真精度的對(duì)比驗(yàn)證研究，使仿真預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性達(dá)到了令人滿(mǎn)意的水平。在燃燒室工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，GE航空集團(tuán)基于NCC計(jì)劃搭建的燃燒室性能分析平臺(tái)，已完成了包括CFM56的雙環(huán)腔燃燒室、CF6-80的低排放燃燒室LEC、GE90的雙環(huán)腔燃燒室、LM1600、LM2500和LM6000的低污染燃燒室等多個(gè)新型燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

羅羅公司則使用自行編制的PRECISE軟件，預(yù)估生產(chǎn)型和研究型燃燒室的流場(chǎng)和出口溫度分布以及低污染排放等燃燒性能來(lái)指導(dǎo)燃燒室設(shè)計(jì)與研制。意大利菲亞特（FIAT）公司則在與羅羅公司合作研制EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的過(guò)程中，大量采用了燃燒數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)加力燃燒室擴(kuò)壓器、穩(wěn)定器、隔熱屏流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)相關(guān)數(shù)值仿真軟件的工程應(yīng)用表明，仿真軟件對(duì)燃燒室流程參數(shù)的計(jì)算和性能評(píng)估不但可定性，而且還可在一定程度上定量滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求，使得燃燒室的工程研制周期縮短、研發(fā)成本大幅降低。

燃燒仿真技術(shù)工程應(yīng)用關(guān)鍵和趨勢(shì)分析

為了提升數(shù)值仿真技術(shù)在燃燒室工程研制上的適用性，必須以燃燒室研制的關(guān)鍵工程問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，力求從物理化學(xué)模型構(gòu)建、燃燒室數(shù)值方法研究、高保真軟件開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用等多個(gè)方面取得突破，逐步實(shí)現(xiàn)基于燃燒數(shù)值仿真技術(shù)的燃燒室“正向設(shè)計(jì)”方法建立和工程應(yīng)用驗(yàn)證的目標(biāo)，為此仍需重點(diǎn)開(kāi)展如下研究工作。

燃燒數(shù)值仿真物理/化學(xué)模型的完善

在湍流燃燒計(jì)算模型研究方面，發(fā)展燃油霧化—蒸發(fā)仿真模型，構(gòu)建復(fù)雜旋流場(chǎng)下的油氣兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)部多種噴嘴霧化的氣液界面捕捉，燃油的一次、二次霧化過(guò)程的模擬，以及對(duì)火焰筒內(nèi)部燃油蒸氣濃度，燃油液滴的空間分布、速度分布、流量分布的精確預(yù)測(cè)。同時(shí)發(fā)展并簡(jiǎn)化國(guó)產(chǎn)RP-3燃油的化學(xué)反應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)寬廣工作范圍的航空燃油化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的工程應(yīng)用，有效避免化學(xué)反應(yīng)對(duì)燃燒精度的影響；此外進(jìn)一步開(kāi)展高效湍流燃燒機(jī)理和燃燒計(jì)算模型的修正研究，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場(chǎng)/燃燒場(chǎng)和綜合性能的精確評(píng)估軟件的構(gòu)建提供相關(guān)模型的支撐。

圖4 燃燒室仿真技術(shù)的工程應(yīng)用示例

加快LES高保真燃燒數(shù)值仿真軟件的自主開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用

針對(duì)燃燒室工程設(shè)計(jì)中燃燒數(shù)值仿真過(guò)多依賴(lài)商業(yè)軟件，而商用軟件可擴(kuò)展性受限，型號(hào)研制中積累的經(jīng)驗(yàn)無(wú)法在軟件中得以應(yīng)用的問(wèn)題，重點(diǎn)開(kāi)展基于大渦模擬（LES）方法的高保真、高效燃燒數(shù)值仿真軟件開(kāi)發(fā)?；贚ES湍流燃燒方法，結(jié)合高保真燃油蒸發(fā)模型、自適應(yīng)湍流燃燒模型、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)燃燒室復(fù)雜幾何條件下三維兩相非定常湍流燃燒的高效并行數(shù)值模擬，并基于工程燃燒室詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成考核、驗(yàn)證；實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室內(nèi)部燃燒流場(chǎng)的速度、密度、溫度、組分濃度和湍流度等平均物理量，以及燃燒脈動(dòng)趨勢(shì)和瞬時(shí)數(shù)值的計(jì)算，滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求。

針對(duì)燃燒室點(diǎn)火/熄火和振蕩燃燒問(wèn)題開(kāi)展數(shù)值仿真的專(zhuān)項(xiàng)研究

針對(duì)燃燒室中點(diǎn)火、熄火和振蕩燃燒等非定常燃燒問(wèn)題，重點(diǎn)開(kāi)展工程可用的點(diǎn)火、熄火預(yù)測(cè)模型和數(shù)值模擬結(jié)合技術(shù)研究，逐步適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室寬工況變化的點(diǎn)火、熄火數(shù)值仿真方法和預(yù)測(cè)模型，解決現(xiàn)有預(yù)估模型對(duì)真實(shí)條件下的燃燒室點(diǎn)火、熄火特性預(yù)估不準(zhǔn)確的問(wèn)題，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室滿(mǎn)足穩(wěn)定工作和安全性要求，同時(shí)開(kāi)展燃燒室熱聲耦合燃燒不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型及抑制方法研究，力求建立燃燒不穩(wěn)定性的模態(tài)預(yù)測(cè)方法，對(duì)振蕩燃燒進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室多學(xué)科耦合仿真的方法研究

燃燒室的設(shè)計(jì)研發(fā)涉及氣動(dòng)、強(qiáng)度和傳熱等多學(xué)科耦合仿真的問(wèn)題，因此需要發(fā)展適用于工程設(shè)計(jì)中所需的燃燒室多學(xué)科耦合仿真方法研究，最終突破燃燒室流、固、熱耦合仿真技術(shù)。研究將針對(duì)燃燒室構(gòu)件強(qiáng)度、壽命仿真評(píng)估需求，發(fā)展燃燒室強(qiáng)度工程分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室構(gòu)件的應(yīng)力與變形、振動(dòng)、屈曲、蠕變、疲勞壽命、損失容限、可靠性等進(jìn)行計(jì)算分析與仿真評(píng)估，并在燃燒室的不同設(shè)計(jì)階段得到應(yīng)用。發(fā)展燃燒室構(gòu)件冷態(tài)裝配與熱態(tài)變形協(xié)調(diào)仿真，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)燃燒室構(gòu)件之間冷態(tài)裝配位置關(guān)系、配合間隙、浮動(dòng)補(bǔ)償?shù)?，以及熱態(tài)下變形、位移干涉等進(jìn)行計(jì)算分析與仿真評(píng)估。此外，開(kāi)展強(qiáng)度和換熱計(jì)算的耦合計(jì)算方法研究，重點(diǎn)針對(duì)燃燒室部件復(fù)雜壁面通道建模及覆壁氣膜流動(dòng)、換熱規(guī)律的計(jì)算研究，完成高溫燃?xì)廨椛鋼Q熱模型研究、校驗(yàn)和高溫燃?xì)廨椛鋼Q熱模型三維數(shù)值模擬分析及驗(yàn)證，建立適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)換熱和輻射模型，實(shí)現(xiàn)噴嘴、火焰筒的受熱變形與流場(chǎng)的耦合計(jì)算與預(yù)測(cè)，確保燃燒室的可靠性和完整性。

高保真燃燒數(shù)值仿真軟件的驗(yàn)證/確認(rèn)研究

基于模型試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的軟件校核和驗(yàn)證（V&V）是提高燃燒仿真軟件可信度和工程適用性的重要環(huán)節(jié)。因此，在燃燒數(shù)值仿真軟件的工程應(yīng)用研究中，須針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高保真數(shù)值仿真方法與軟件，采用模型燃燒室算例和實(shí)際工程算例進(jìn)行驗(yàn)證；建設(shè)用于軟件驗(yàn)證的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室和加力燃燒室試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，制定適用于工程應(yīng)用的數(shù)值仿真軟件驗(yàn)證和確認(rèn)規(guī)范，構(gòu)建工程可用的三維兩相湍流非定常燃燒仿真預(yù)測(cè)能力評(píng)估體系，開(kāi)展高保真燃燒數(shù)值仿真軟件的V&V工作，提升軟件的工程適用性和計(jì)算的精度，實(shí)現(xiàn)高保真仿真軟件在型號(hào)設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)上的部署，以及在工程設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，突破燃燒室設(shè)計(jì)和性能預(yù)估的技術(shù)瓶頸。

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程設(shè)計(jì)需求的燃燒室仿真技術(shù)及其工程應(yīng)用，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制發(fā)展的必然趨勢(shì)，必將推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)方法的創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)由試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)研發(fā)模式（試出來(lái)的）向仿真驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)研發(fā)模式（迭代優(yōu)化出來(lái)的）的轉(zhuǎn)變。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的方向之一，在燃燒室仿真工程應(yīng)用方面仍然有很多的關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，科研廠所與院校應(yīng)堅(jiān)持以航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求為牽引，依托重大專(zhuān)項(xiàng)支持，擴(kuò)大能力獲取網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)仿真能力建設(shè)，重點(diǎn)開(kāi)展仿真建模、理論研究、平臺(tái)建設(shè)、軟件校核驗(yàn)證等方面的工作，努力實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程從簡(jiǎn)單仿真到精細(xì)仿真的轉(zhuǎn)變，加快仿真技術(shù)在燃燒室工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與推廣，提升燃燒室的研制和仿真水平。