■ 尚守堂 林宏軍 程明 馬宏宇 朱健 / 中國航發(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、研制風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，其研發(fā)過程通常需要依賴大量的物理試驗(yàn)。出于降低研制成本、縮短研制周期和減少對物理試驗(yàn)依賴的初衷，20世紀(jì)70年代以來，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)和型號優(yōu)化過程中，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，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)鍵問題

燃燒室作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的主要來源，其研制的過程受到了航空發(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)過程中需要關(guān)注如下技術(shù)問題。

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估

一是燃燒室氣動(dòng)熱力性能評估與優(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)的評估和優(yōu)化對航空發(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。在工程設(shè)計(jì)過程中燃燒室的點(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)部燃燒過程的詳細(xì)分析將對燃燒室部件設(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。以往單純的對燃燒室宏觀性能參數(shù)的獲取與分析，已不能滿足先進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)需要，燃燒過程的精細(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)值仿真對燃燒室設(shè)計(jì)的作用

針對上述燃燒室工程設(shè)計(jì)所關(guān)注的重要問題，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程,增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員對內(nèi)部燃油霧化、兩相流動(dòng)與火焰?zhèn)鞑サ任锢砘瘜W(xué)過程規(guī)律的理解，為設(shè)計(jì)中多參數(shù)的優(yōu)化問題和關(guān)鍵參數(shù)的選取提供技術(shù)參考；而在工程驗(yàn)證階段，通過開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”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)公司一直以來高度關(guān)注燃燒室仿真技術(shù)及軟件的開發(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+等商用軟件開展燃燒室性能評估和方案設(shè)計(jì)外，針對工程應(yīng)用需求，基于工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)還自主開發(fā)了專用的仿真軟件，推動(dòng)燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用。

針對數(shù)值仿真對航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制的支撐需求，美國先后實(shí)施了燃燒室模擬評估（CME）、國家燃燒計(jì)算模塊（NCC）、燃燒室設(shè)計(jì)模擬評估（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燃燒室工程研制的需要，開發(fā)了專門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)測方面，GE航空集團(tuán)基于燃燒室研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的用于燃燒室性能研究的“無附加因素”試驗(yàn)前預(yù)測方法，完成了針對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)值仿真精度的對比驗(yàn)證研究，使仿真預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性達(dá)到了令人滿意的水平。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，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和出口溫度分布以及低污染排放等燃燒性能來指導(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)加力燃燒室的過程中，大量采用了燃燒數(shù)值仿真技術(shù)，對加力燃燒室擴(kuò)壓器、穩(wěn)定器、隔熱屏流場進(jìn)行計(jì)算分析，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。

通過相關(guān)數(shù)值仿真軟件的工程應(yīng)用表明，仿真軟件對燃燒室流程參數(shù)的計(jì)算和性能評估不但可定性，而且還可在一定程度上定量滿足工程應(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、二次霧化過程的模擬，以及對火焰筒內(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。同時(shí)發(fā)展并簡化國產(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)對燃燒精度的影響；此外進(jìn)一步開展高效湍流燃燒機(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/燃燒場和綜合性能的精確評估軟件的構(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發(fā)和工程應(yīng)用

針對燃燒室工程設(shè)計(jì)中燃燒數(shù)值仿真過多依賴商業(yè)軟件，而商用軟件可擴(kuò)展性受限，型號研制中積累的經(jīng)驗(yàn)無法在軟件中得以應(yīng)用的問題，重點(diǎn)開展基于大渦模擬（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)對燃燒室內(nèi)部燃燒流場的速度、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)趨勢和瞬時(shí)數(shù)值的計(jì)算，滿足工程應(yīng)用的要求。

針對燃燒室點(diǎn)火/熄火和振蕩燃燒問題開展數(shù)值仿真的專項(xiàng)研究

針對燃燒室中點(diǎn)火、熄火和振蕩燃燒等非定常燃燒問題，重點(diǎn)開展工程可用的點(diǎn)火、熄火預(yù)測模型和數(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)測模型，解決現(xiàn)有預(yù)估模型對真實(shí)條件下的燃燒室點(diǎn)火、熄火特性預(yù)估不準(zhǔn)確的問題，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室滿足穩(wěn)定工作和安全性要求，同時(shí)開展燃燒室熱聲耦合燃燒不穩(wěn)定性預(yù)測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)測方法，對振蕩燃燒進(jìn)行有效預(yù)測。

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)。研究將針對燃燒室構(gòu)件強(qiáng)度、壽命仿真評估需求，發(fā)展燃燒室強(qiáng)度工程分析軟件，實(shí)現(xiàn)對燃燒室構(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)算分析與仿真評估。此外，開展強(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的耦合計(jì)算與預(yù)測，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，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)測能力評估體系，開展高保真燃燒數(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設(shè)計(jì)計(jì)算平臺上的部署，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

針對航空發(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，必將推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)和預(yù)測方法的創(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（試出來的）向仿真驅(qū)動(dòng)的預(yù)測研發(fā)模式（迭代優(yōu)化出來的）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)開展仿真建模、理論研究、平臺建設(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)過程從簡單仿真到精細(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。