嚴(yán) 紅,嚴(yán)傳俊
(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力能源學(xué)院,西安 710072)
燃燒室設(shè)計(jì)的質(zhì)量和速度直接影響新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制質(zhì)量和周期。由于燃燒過(guò)程的復(fù)雜性,以往航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。所采用的設(shè)計(jì)基于:燃燒理論模型(如火焰?zhèn)鞑ニ俣饶P秃突瘜W(xué)反應(yīng)器模型);現(xiàn)有燃燒室設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和歸納;揭示燃燒室性能與其幾何參數(shù)、工作參數(shù)關(guān)系[1-3]的一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。而這些不能完全適應(yīng)新型燃燒室的設(shè)計(jì)?,F(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)或計(jì)算燃燒學(xué)(Computational Combustion Dynamics,CCD)的迅猛發(fā)展,為燃燒室設(shè)計(jì)提供了有力工具。計(jì)算流體力學(xué)基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒定律,不僅可以計(jì)算燃燒室流場(chǎng),預(yù)估燃燒室的性能,還可以對(duì)現(xiàn)有燃燒室設(shè)計(jì)公式進(jìn)行驗(yàn)證和修改,適用各類燃燒室。由于燃燒現(xiàn)象的復(fù)雜性和受計(jì)算資源限制,目前CFD還不能用于燃燒室的反設(shè)計(jì),即不能用于直接確定燃燒室的尺寸和形狀。因此,經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)階段還是必不可少的。燃燒室先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法是經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與CFD分析相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。
國(guó)外對(duì)燃燒室先進(jìn)設(shè)計(jì)方法開發(fā)十分重視。美國(guó)GE公司Mongia等人[4]早在20世紀(jì)70年代就開始進(jìn)行CFD在燃燒室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究,取得了許多重要的研究成果。美國(guó)霍尼韋爾(Honeywell)公司Lai[5]于1998年開始研制了1種用于燃燒室設(shè)計(jì)的先進(jìn)燃燒工具(Advanced Combustion Tool,ACT)。ACT的特點(diǎn)是以CFD為基礎(chǔ),在燃燒室?guī)缀卧煨秃途W(wǎng)格生成方面采用參數(shù)化的方法,每個(gè)幾何特征都可以方便、快速地修改、增加、刪除,從而可以極大地縮短設(shè)計(jì)循環(huán)迭代的時(shí)間。GE公司Tangirala[6]于2000年提出將參數(shù)化幾何造型方法應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)。德國(guó)聯(lián)邦陸軍大學(xué)與RR公司于2004年合作開發(fā)了燃燒室初步設(shè)計(jì)系統(tǒng)(PRECODES)[7],隸屬于歐洲研究項(xiàng)目“貧油低排放燃燒室設(shè)計(jì)方法(INTELLECT D.M)”。采用了參數(shù)化的CAD幾何造型、自動(dòng)網(wǎng)格生成和CFD分析技術(shù),其特點(diǎn)是在燃燒室初步設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行詳細(xì)的CFD分析,從而判斷初步設(shè)計(jì)是否達(dá)到性能指標(biāo)的要求。以上研究有的側(cè)重以CFD為基礎(chǔ)的燃燒室設(shè)計(jì),有的側(cè)重燃燒室初步設(shè)計(jì)自動(dòng)化。
本文提出將燃燒室初步設(shè)計(jì)、CFD分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái),形成一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化、參數(shù)化、自動(dòng)化和一體化的技術(shù),以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短設(shè)計(jì)周期,并便于使用。
燃燒室設(shè)計(jì)和研制過(guò)程如圖1所示。概念設(shè)計(jì)主要用于一些新型燃燒室,如駐渦燃燒室(Trapped Vortex Combusto,TVC),雙環(huán)腔預(yù)混旋流燃燒室(Twin Annular Premixing Swirler,TAPS),脈沖爆震燃燒室(Pulse Detonation Combustor,PDC)等。初步設(shè)計(jì)主要用于確定燃燒室主要尺寸和形狀,各組件(如旋流器)種類和尺寸,各種進(jìn)氣孔的形狀、數(shù)目、大小及位置,流量分配及流程參數(shù),為火焰筒數(shù)值計(jì)算提供邊界條件。詳細(xì)設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行燃燒室實(shí)體造型和CFD分析,以優(yōu)化設(shè)計(jì),并在優(yōu)選的燃燒室基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,如未達(dá)到,需再修改設(shè)計(jì)。這是漫長(zhǎng)的過(guò)程。如何縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少試驗(yàn)次數(shù),是設(shè)計(jì)者面臨的富有挑戰(zhàn)的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。
圖1 燃燒室設(shè)計(jì)和研制過(guò)程
所謂燃燒室設(shè)計(jì)系統(tǒng)一體化就把燃燒室設(shè)計(jì)各分過(guò)程有機(jī)地聯(lián)系起來(lái),在統(tǒng)一框架內(nèi)執(zhí)行,由1個(gè)主程序調(diào)用,這有利實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化;由于燃燒室各設(shè)計(jì)參數(shù)之間是非線性的,其相互依存的特性導(dǎo)致燃燒室初步設(shè)計(jì)過(guò)程是反復(fù)迭代的過(guò)程,通過(guò)參數(shù)化幾何造型和網(wǎng)格生成,可以極大地縮短設(shè)計(jì)周期;采用模塊化設(shè)計(jì)有利于設(shè)計(jì)方法的更新和擴(kuò)充。燃燒室一體化設(shè)計(jì)的構(gòu)想如圖2所示。
圖2 燃燒室一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)想
燃燒室設(shè)計(jì)指標(biāo)取決于燃燒室類型和發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)的要求。典型的直流環(huán)型燃燒室如圖3所示,其設(shè)計(jì)指標(biāo)為:(1)燃燒效率高(不小于0.99);(2)總壓損失小(不小于 0.93~0.95);(3)出口溫度分布均勻(TO,D=0.25,TR,D=0.12);(4)慢車熄火燃料空氣比不大于7.5 g/kg;(5)點(diǎn)火高度為8~12 km;(6)尺寸小,容熱強(qiáng)度不小于 60×108kJ/(m3kPa);(7)壽命長(zhǎng);(8)在整個(gè)工作范圍內(nèi)不發(fā)生共振;(9)排氣發(fā)散符合標(biāo)準(zhǔn);(10)質(zhì)量輕。
燃燒室設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)主要有:燃燒室進(jìn)口空氣流量、總溫、總壓、馬赫數(shù)、渦輪進(jìn)口總溫、燃燒室總壓損失系數(shù)和渦輪冷卻空氣流量。幾何約束主要有:壓氣機(jī)出口徑向尺寸、渦輪進(jìn)口徑向尺寸和燃燒室長(zhǎng)度。燃燒室初步設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
環(huán)型燃燒室重要設(shè)計(jì)變量有:火焰筒頭部高度和速度、火焰筒長(zhǎng)度與火焰筒頭部高度之比、燃燒室內(nèi)外環(huán)腔速度、燃料噴嘴周向間距、容熱強(qiáng)度、參考速度和速度頭、進(jìn)口速度頭。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,將進(jìn)入燃燒室的空氣分為3股:1股用來(lái)組織燃燒,如通過(guò)旋流器的空氣、通過(guò)氣動(dòng)霧化噴嘴孔的空氣以及通過(guò)主燃孔和補(bǔ)燃孔的空氣;第2股是通過(guò)摻混孔的空氣,用來(lái)實(shí)現(xiàn)出口溫度分布要求;第3股用來(lái)冷卻火焰筒頭部和火焰筒壁面。進(jìn)入火焰筒的空氣流量分配如圖5所示。
流量分配的計(jì)算方法主要有面積法、流阻法、通用1維流基本方程數(shù)值解法和網(wǎng)絡(luò)法。其中通用1維流基本方程數(shù)值解法不僅可以計(jì)算流量分配,還可以計(jì)算燃燒室沿程氣動(dòng)熱力參數(shù),為燃燒室CFD分析提供邊界條件。
圖5 空氣流量分配
燃燒室主要尺寸包括燃燒室內(nèi)外徑、高度、軸向長(zhǎng)度和火焰筒內(nèi)外徑、高度、軸向長(zhǎng)度、內(nèi)外環(huán)腔高度、內(nèi)環(huán)高度、軸線傾角等。決定燃燒室和火焰筒基本尺寸的方法主要有速度法、燃燒室壓力損失法、容熱強(qiáng)度法和高空再點(diǎn)火關(guān)系式法等。選擇其中頭部面積最大者,根據(jù)給定的燃燒室出口溫度分布系數(shù)和火焰筒壓力損失,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式確定燃燒室程度。
通過(guò)前置擴(kuò)壓器(如圖6所示)將流速降到適當(dāng)數(shù)值,以保證燃燒室最大可用靜壓,從而減輕質(zhì)量和減少成本。因此,要求擴(kuò)壓器在最短長(zhǎng)度內(nèi)獲得最大的擴(kuò)壓。由所需的面積比根據(jù)連續(xù)方程計(jì)算允許的壓力損失。利用合適的關(guān)系式,可以導(dǎo)出面積比和允許的最大前置擴(kuò)壓器長(zhǎng)度,以防止氣流分離。此外摩擦損失要降到最小。
圖6 前置擴(kuò)壓器
在不同飛行狀態(tài)下所需的燃料流量通過(guò)噴嘴提供。要求其霧化細(xì)度、噴霧錐角和霧珠空間分布符合預(yù)期要求。一般采用雙油路噴嘴。根據(jù)燃油流量、主副油路供油壓力和噴嘴設(shè)計(jì)程序不難確定噴嘴的幾何參數(shù)。
根據(jù)燃燒室設(shè)計(jì)指標(biāo)合理選擇旋流器的類型,如軸流旋流器、雙級(jí)軸流旋流器、雙級(jí)徑向旋流器和斜氣孔旋流器等。根據(jù)選定的旋流數(shù)、給定的流量分配、計(jì)算的旋流器流阻系數(shù)和旋流器進(jìn)出口參數(shù)等確定旋流器有效面積、旋流葉片數(shù)、安裝角和旋流器的輪廓尺寸。
根據(jù)流量分配、射流速度和穿透深度、孔的流量系數(shù),按設(shè)計(jì)程序確定主燃孔、補(bǔ)燃孔和摻混孔的數(shù)目、大小和形狀。
目前對(duì)火焰筒壁面常用的冷卻類型有氣膜冷卻、發(fā)散冷卻、層板冷卻和瓦片式冷卻。應(yīng)用火焰筒1維壁溫計(jì)算程序?qū)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,以確定冷卻系統(tǒng)尺寸和冷卻效果。
應(yīng)用燃燒室初步設(shè)計(jì)的性能計(jì)算模塊可以估算燃燒效率、總壓損失、出口溫度分布因子、貧油熄火極限、點(diǎn)火極限、點(diǎn)火高度和排氣發(fā)散物等。
采用CFD進(jìn)行燃燒室數(shù)值分析,一般分3步:前處理、求解、后處理。
前處理的目的是建立CFD分析所需求解域、網(wǎng)格和邊界條件。常用的軟件有GAMBIT,ICEM-CFD,GRIDEN等。GAMBIT軟件具有幾何造型、網(wǎng)格生成和邊界條件設(shè)置功能,對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的燃燒室,可以直接進(jìn)行幾何造型和網(wǎng)格剖分;對(duì)于幾何形狀比較復(fù)雜的燃燒室,需要采用CAD軟件(如UG、Pro/E,CATIA,PATRAN等)生成幾何模型后通過(guò)接口導(dǎo)入GAMBIT軟件。CAD軟件生成的幾何模型一般不能直接用于GAMBIT軟件網(wǎng)格生成,需要做一些必要的預(yù)處理,如合并重復(fù)的點(diǎn)、線、面,消除短邊、縫合缺口、修補(bǔ)尖角和倒角、去除小面和獨(dú)立輔助線等。
對(duì)于幾何形狀比較復(fù)雜的燃燒室,需要設(shè)計(jì)人員大量的手工操作,網(wǎng)格生成一般占CFD工作量40%~80%。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了研究幾何參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)燃燒室性能的影響,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),需要進(jìn)行大量相似的計(jì)算。每次都需要重新進(jìn)行幾何造型,并生成網(wǎng)格,使設(shè)計(jì)周期大大延長(zhǎng)。
網(wǎng)格生成軟件GAMBIT可以生成1種文本日志文件(Journal file),其中包括變量、數(shù)組、轉(zhuǎn)折語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句、函數(shù)、宏命令等程序語(yǔ)言,記錄了用戶操作的全部?jī)?nèi)容,包括處理的對(duì)象、方法和參數(shù)。GAM BIT軟件可以自動(dòng)記錄日志文件,用戶也可以創(chuàng)建、修改和編輯日志文件,并通過(guò)運(yùn)行日志文件來(lái)再現(xiàn)和重復(fù)所有操作,從而可以編程化、參數(shù)化、自動(dòng)化地進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格生成,與其它軟件接口還可以進(jìn)行二次開發(fā)。GAMBIT軟件生成的環(huán)形燃燒室和火焰筒1/20扇形網(wǎng)格分別如圖7、8所示。
UG參數(shù)化建模方法具有簡(jiǎn)單、方便、易開發(fā)和使用的特點(diǎn),能夠在現(xiàn)有的CAD/CAE系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。參數(shù)化建模的關(guān)鍵是建立1套描述獨(dú)立參數(shù)和相關(guān)參數(shù)之間的約束方程組,然后根據(jù)1組新的獨(dú)立參數(shù)求解新的相關(guān)參數(shù)。當(dāng)被引用部件中的表達(dá)式被更新時(shí),與它鏈接的部件中的相應(yīng)表達(dá)式也被更新。UG利用電子表格(Spreadsheet)驅(qū)動(dòng)圖形,提供了與Microsoft Excel間的1個(gè)智能接口。在建模應(yīng)用里,UG電子表格可以被認(rèn)為是高級(jí)的表達(dá)式編輯器。信息可以從部件被抽取到電子表格里,在被用來(lái)更新部件前進(jìn)行手工處理。表格驅(qū)動(dòng)的界面和內(nèi)部函數(shù)為相關(guān)的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了方便而有力的工具。
目前用于燃燒室氣動(dòng)熱力性能分析的商業(yè)軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、CFDRC等,其中FLUENT是應(yīng)用最為廣泛的CFD商業(yè)軟件。此外,還有開放式CFD軟件OpenFoam,源程序?qū)τ脩羰情_放的,用戶可以方便地加入物理模型和算法。
在進(jìn)行CFD分析時(shí),需要根據(jù)燃燒設(shè)計(jì)要求,選擇合理的物理子模型、數(shù)值計(jì)算方法、初始條件和邊界條件等。計(jì)算內(nèi)容主要有:
(1)顯示燃燒室速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng),考察回流區(qū)大小和強(qiáng)度、射流穿透深度、油珠運(yùn)動(dòng)軌跡,判斷溫度分布是否合理;
(2)獲取燃燒室性能:流體阻力損失、燃燒效率、出口溫度分布、高空再點(diǎn)火特性、熄火特性、壁溫和排放等,判斷是否達(dá)到要求的性能指標(biāo);
(3)研究幾何參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)燃燒室性能的影響,為修改初步設(shè)計(jì)指明方向;
(4)探索新概念燃燒室各分過(guò)程的規(guī)律。
用FLUENT軟件計(jì)算的油珠運(yùn)動(dòng)軌跡和火焰筒內(nèi)速度場(chǎng)分別如圖9、10所示。
在燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中為了研究幾何參數(shù)和工作參數(shù)的影響,常常需要進(jìn)行CFD反復(fù)迭代計(jì)算。與GAMBIT軟件相似,F(xiàn)LUENT軟件也有可編輯的日志文件,根據(jù)計(jì)算需要可以進(jìn)行修改。
為了便于分析計(jì)算結(jié)果和實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化,需要做到以下2點(diǎn):
(1)創(chuàng)建用戶自定義函數(shù)UDF,輸出燃燒室出口平面數(shù)據(jù)(如溫度分布因子、排放指標(biāo)和污染物濃度等)和燃燒室流場(chǎng)數(shù)據(jù)(如速度、當(dāng)量比、溫度分布和油珠運(yùn)動(dòng)軌跡等)。
(2)創(chuàng)建附本文件和日志文件,顯示動(dòng)畫圖形、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格、等值線、流跡線和速度矢量等。
目前有很多優(yōu)化算法,如數(shù)值優(yōu)化、全局優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化算法。對(duì)于燃燒室設(shè)計(jì)而言,可以采用屬于全局優(yōu)化算法的遺傳算法(Genetic Algorithms,GA)。該算法運(yùn)用了自然界中“優(yōu)勝劣汰”的法則,并且在可能的解空間上形成多點(diǎn)逼近的評(píng)價(jià)工具。遺傳算法在收斂性、結(jié)構(gòu)化、對(duì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)無(wú)要求等方面的優(yōu)點(diǎn)使其能夠有效運(yùn)用于燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)中[8-9]。例如可采用該算法對(duì)出口溫度分布因子、火焰筒壁溫和排氣發(fā)散進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖11所示。
Visual C++是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言,通過(guò)編寫程序接口,可以用來(lái)操縱和驅(qū)動(dòng)初步設(shè)計(jì)模塊PCDD、UG、Gambit和Fluent軟件。
(1)通過(guò)電子表格EXCEL 調(diào) 用 PCDD、UG、FLUENT、GAMBIT軟件。
(2)ISIGHT[9]是設(shè)計(jì)過(guò)程集成、優(yōu)化的通用軟件,可 以 集 成 PCDD、UG、Gambit和Fluent軟件。
以ISIGHT軟件作為燃燒室設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成、優(yōu)化的工具例舉如下:
(1)利用初步設(shè)計(jì)模塊PCDD讀取燃燒室設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù),經(jīng)運(yùn)行輸出PCDD.DAT文件;
(2)通過(guò)自編的VC程序,導(dǎo)入更新的PCDD.DAT文件,運(yùn)行UG軟件輸出Parasolid文件;
(3)Gambit通過(guò)讀取*..jou文件,并導(dǎo)入Parasolid文件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最后生成*..msh文件;
(4)Fluent通過(guò)讀取*..jou文件,并導(dǎo)入*..msh文件進(jìn)行前處理及求解,最后輸出*..dat文件;
(5)由 Isight的優(yōu)化組件驅(qū)動(dòng) PCDD、UG、Gambit和Fluent軟件自動(dòng)運(yùn)行并循環(huán)迭代,最終通過(guò)合適的優(yōu)化算法(如遺傳算法)找到最優(yōu)結(jié)果。
燃燒室一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖12所示。
圖11 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
本文論述了燃燒室一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本原理和方法。該系統(tǒng)將燃燒室初步設(shè)計(jì)、CFD分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),為設(shè)計(jì)自動(dòng)化提供了運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)幾何建模和網(wǎng)格生成的參數(shù)化和計(jì)算過(guò)程并行化,縮短了燃燒室設(shè)計(jì)周期;通過(guò)模塊化設(shè)計(jì),提高了設(shè)計(jì)系統(tǒng)擴(kuò)展和更新能力??勺鳛殚_展燃燒室一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究時(shí)參考。
[1]Lefebvre A H.Gas turbine combustion[M].New York:Taylor&Francis Group,1999:1-200.
[2]Mellor A M.Design of modern turbine combustors[M].Egland:Academic Press,1990:344-465.
[3]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè):第5冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001:1-50.
[4]Mongia H C.Perspective of combustion modeling for gas turbine combustors[R].AIAA-2004-156.
[5]Lai M K,Reynolds R S,Armstrong J.CFD-based,parametric,design tool for gas turbine combustors from compressor deswirl exit to turbine inlet[R].ASME 2002-GT-30090.
[6]Tangirala V E,Tolpadi A K,Danis A M,et al.Parametric modelling approach to gas turbine combustor design[R].ASME 2000-GT-129.
[7]Pegemanyfar N,Pfitzner M,Eggels R,et al.Development of an automated preliminary combustion chamber design tool[R].ASME 2006-GT-90430.
[8]Rogero J M,Rubini P A.A platform independent engineering optimization tool based on genetic algorithms and distributed computing applied to gasturbinecombustorpreliminary design,computational engineering using metaphors from nature[M].Edinburgh:Civil-Comp press,2000:143-149.
[9]Torella G.Genetic algorithms for the optimizatin of gas turbine cyclses[R].AIAA-1998-3118.
[10]User’s Guide.ISIGHT version 9.0[M].New York:Trademark of Engineous Software Inc,2004:26-256.