■ 索建秦 馮翔洲 梁紅俠 巨翃宇 黎明 / 西北工業(yè)大學
數(shù)值仿真在燃燒室設計和研發(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果,進一步指導設計和研發(fā)工作。
數(shù)值仿真技術誕生于20世紀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)復雜的物理化學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)燃氣溫度可以達到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,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、結構和質(zhì)量等方面的要求[1]。
燃燒室設計研發(fā)體系包含5個階段。第一和第二階段屬于預先研究的范圍。在第一階段中,針對基本概念中可能出現(xiàn)的問題進行科學研究。第二階段為方案選擇設計研究,要明確燃燒室整體技術方案和各零部件的技術方案。第三階段是技術研發(fā)階段,針對燃燒室的技術研發(fā),縱向地往下進入初步設計。第四階段是型號研發(fā),結合方案選擇設計研究中的總體方案、技術研發(fā)階段的技術定型結果、售后服務中問題的信息反饋、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階段,在這一階段中設計上仍需不斷地改進。
在燃燒室設計過程中,要滿足諸多性能方面的要求,設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,設計上的舉措可能導致另一個性能惡化,設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致設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。
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用也得到快速的發(fā)展,在燃燒室設計研發(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,解釋研究結果,總結變化規(guī)律和設計方法。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。針對已有的試驗結果,將試驗總結出的參數(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雜的霧化、蒸發(fā)和化學反應過程。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,這對仿真結果中的油氣分布以及出口溫度分布也有很大影響;針對復雜化學反應過程,用總包反應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,結合數(shù)值仿真優(yōu)勢,再考慮到燃燒室內(nèi)復雜物理化學反應過程,在燃燒室氣動熱力設計和結構設計中均可應用數(shù)值仿真方法,下文將逐一進行介紹。
在設計階段,數(shù)值仿真可用于研究不同結構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構,尋找出引起流動損失的關鍵因素。依據(jù)數(shù)值仿真結果,可以對擴壓器結構進行優(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。
在設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構。通過數(shù)值仿真技術,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計方案。通過改變旋流器關鍵參數(shù),流場結構也會隨之發(fā)生變化,進而影響到燃燒特性。
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,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構參數(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)。
燃燒室點火/熄火過程總是伴隨著相當復雜的物理化學過程,燃燒區(qū)的回流區(qū)尺寸、流場結構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/熄火邊界隨關鍵特征參數(shù)的變化規(guī)律。
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氣分析法,利用數(shù)值仿真技術,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、未燃碳氫化合物和碳顆粒等,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數(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]
火焰筒及頭部均需要冷卻,使其在相應氣動熱負荷及材料下,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。
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,火焰筒與機匣的結構動力學參數(shù)隨燃燒室內(nèi)溫度變化的規(guī)律,通過分析熱應力的影響因素為火焰筒熱防護和機匣強度設計提供依據(jù)[8]。
燃燒室是由大量零部件組裝而成的。在設計階段,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培訓都有積極的效果[9]。
火焰筒壁溫分布圖[7]
擴壓器與火焰筒的支承結構以及燃油噴嘴/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)值仿真技術能夠評估其對燃燒室性能的影響,指導燃燒室內(nèi)部支撐方式及燃油噴嘴/桿布局的優(yōu)化。
目前,商用軟件在燃燒室數(shù)值仿真研究中仍然占據(jù)主導地位,為了建設自主的數(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,需要從簡單到復雜逐步開展數(shù)值仿真工作;第三,針對硬件基礎,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,促進技術創(chuàng)新[10]。
數(shù)值仿真技術可以在發(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,尊重科學發(fā)展規(guī)律,突破核心關鍵技術,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。