航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)和研發(fā)的每一個(gè)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(fèi)、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(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)，依靠數(shù)值解法和圖像顯示方法，對(duì)基本物理現(xiàn)象和工程問題進(jìn)行數(shù)字模擬研究。數(shù)值仿真的適用范圍和計(jì)算精度在很大程度上受限于計(jì)算平臺(tái)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(dòng)機(jī)核心機(jī)的三大部件之一，接收來自壓氣機(jī)的高壓空氣，通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能以驅(qū)動(dòng)渦輪，進(jìn)而帶動(dòng)壓氣機(jī)做功，因此燃燒室被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值模擬方法的發(fā)展，針對(duì)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(jìn)展。

燃燒室工作特點(diǎn)、研發(fā)體系和研發(fā)特點(diǎn)

燃燒室工作特點(diǎn)

燃燒室的工作條件非常苛刻，是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受最高壓力和最高溫度的部件。來自壓氣機(jī)的空氣在燃燒室進(jìn)口達(dá)到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的最高壓力，目前在研的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)口壓力高達(dá)7MPa；燃燒室進(jìn)口的氣流速度很高，目前可達(dá)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_(dá)到2400K以上，遠(yuǎn)高于目前已有材料的熔點(diǎn)，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(diǎn)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(jì)研發(fā)體系包含5個(gè)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(duì)基本概念中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行科學(xué)研究。第二階段為方案選擇設(shè)計(jì)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(duì)燃燒室的技術(shù)研發(fā)，縱向地往下進(jìn)入初步設(shè)計(jì)。第四階段是型號(hào)研發(fā)，結(jié)合方案選擇設(shè)計(jì)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(hào)研究計(jì)劃，型號(hào)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(jì)上仍需不斷地改進(jìn)。

燃燒室研發(fā)特點(diǎn)

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

隨著飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求的不斷提高，對(duì)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(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)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(diǎn)。

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(jì)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(jìn)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(jì)方法。數(shù)值仿真可在一定程度上節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)并縮短研發(fā)周期。針對(duì)已有的試驗(yàn)結(jié)果，將試驗(yàn)總結(jié)出的參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式等耦合進(jìn)數(shù)值仿真軟件中，對(duì)試驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行有針對(duì)性的研究。這樣既保證計(jì)算結(jié)果能基本符合定性要求，又可以減少試驗(yàn)次數(shù)，達(dá)到節(jié)約經(jīng)費(fèi)及縮短研發(fā)周期的目的。

需要強(qiáng)調(diào)的是，燃燒室仿真不等于燃燒仿真。因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)際相差較大；針對(duì)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(duì)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(duì)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程，用總包反應(yīng)進(jìn)行替代完全不可行，對(duì)于NOx排放和冒煙計(jì)算，采用8個(gè)或10個(gè)方程組成的簡化機(jī)理也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)熱力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均可應(yīng)用數(shù)值仿真方法，下文將逐一進(jìn)行介紹。

數(shù)值仿真在燃燒室氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

燃燒室內(nèi)空氣流動(dòng)——擴(kuò)壓器

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

燃燒室內(nèi)空氣流動(dòng)——火焰筒

在設(shè)計(jì)燃燒室頭部及火焰筒時(shí)，為了獲得良好的燃燒性能，首先需要一個(gè)合理的流場結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值仿真技術(shù)，可以對(duì)火焰筒內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)方案。通過改變旋流器關(guān)鍵參數(shù)，流場結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響到燃燒特性。

燃油噴射及油氣混合

擴(kuò)壓器內(nèi)流動(dòng)速度矢量圖[3]

火焰筒內(nèi)軸向速度云圖與流線圖[4]

針對(duì)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(dòng)和噴嘴參數(shù)對(duì)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(dòng)參數(shù)對(duì)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(diǎn)火/熄火

燃燒室點(diǎn)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(huì)影響燃燒室的點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)理；另一方面通過研究燃燒室點(diǎn)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(diǎn)火/熄火之間的相互作用，并研究燃燒室點(diǎn)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ǎ脭?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(jì)算得出。燃燒室總壓損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(jī)理，為方案改進(jìn)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(duì)出口截面的溫度分布及其影響因素進(jìn)行研究，為出口溫度分布調(diào)試提供依據(jù)。

點(diǎn)火過程試驗(yàn)與數(shù)值仿真對(duì)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(dòng)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(yàn)方法相比，利用數(shù)值仿真可以得到火焰筒壁面上每一點(diǎn)的溫度和溫度梯度分布。此外也可以更直觀地看到熱點(diǎn)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(píng)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(jì)中的應(yīng)用

火焰筒和機(jī)匣強(qiáng)度

燃燒室在工作時(shí)，火焰筒表面存在一定的溫度梯度，進(jìn)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(jī)匣的結(jié)構(gòu)動(dòng)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(hù)和機(jī)匣強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行燃燒室的虛擬裝配，從而詳細(xì)地展示整個(gè)拆裝的工藝流程，包括工具的選擇和拆裝步驟等。這對(duì)于燃燒室乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的知識(shí)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(duì)流動(dòng)和性能的影響

擴(kuò)壓器與火焰筒的支承結(jié)構(gòu)以及燃油噴嘴/桿均會(huì)對(duì)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)和燃燒性能產(chǎn)生影響，利用數(shù)值仿真技術(shù)能夠評(píng)估其對(duì)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(diǎn)。

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(duì)燃燒室數(shù)值仿真計(jì)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(shí)施。統(tǒng)一規(guī)劃需要總體部門對(duì)整機(jī)數(shù)值仿真體系進(jìn)行規(guī)劃,分步實(shí)施主要從3個(gè)方面體現(xiàn)： 第一，針對(duì)整機(jī)，需要先進(jìn)行單獨(dú)部件，例如壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪的數(shù)值仿真研究，再進(jìn)行整機(jī)數(shù)值仿真；第二，針對(duì)單獨(dú)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(duì)硬件基礎(chǔ)，需要搭建強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)，開發(fā)高效的并行算法以提高計(jì)算效率，縮短研發(fā)周期。

最后，需要加強(qiáng)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(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，促進(jìn)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(dòng)機(jī)燃燒室的研發(fā)中發(fā)揮重要的作用。為了進(jìn)一步發(fā)展我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yáng)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(dú)立自主的航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃燒室數(shù)值仿真體系。