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        澳汰爾工程軟件(上海)有限公司

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        CFD專欄丨Flow Simulator案例:航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室一維仿真

        CFD專欄丨Flow Simulator案例:航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室一維仿真
        澳汰爾  2025-02-28  |  閱讀:277

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        前言

        航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室


        燃燒室位于高壓壓氣機(jī)下游,高壓渦輪上游。燃燒室的主要作用是把燃料中的化學(xué)能經(jīng)過燃燒釋放出來,轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽惯M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣總焓增加,變?yōu)槿細(xì)狻8吣艿娜細(xì)饩途邆淞嗽跍u輪和尾噴管做功的能力。從工程熱力學(xué)的角度,燃燒室屬于能量的注入和轉(zhuǎn)換的裝置。


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        航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒室


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        燃燒室的結(jié)構(gòu)


        一維燃燒模型


        Altair? Flow Simulator?的一維燃燒模型旨在使用反應(yīng)物的化學(xué)性質(zhì)來模擬燃燒現(xiàn)象。燃燒元件集成了 NASA CEA代碼進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)計(jì)算。CEA代碼解釋了燃燒引起的焓變和隨后的熱量上升。Flow Simulator可計(jì)算由于這種熱量上升引起的瑞利損失Rayleigh loss 解,以確定燃燒器的入口和出口壓力以及馬赫數(shù)。


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        一維燃燒元件


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        燃燒室一維仿真原理圖


        什么是CEA


        NASA的Glenn研究中心從1950年便開始開發(fā)CEA程序(Chemical Equilibrium with Applications),其包含 2000多個(gè)組分的運(yùn)輸和熱力學(xué)特性。用于計(jì)算復(fù)雜混合物的化學(xué)平衡產(chǎn)物濃度,熱力學(xué)和傳遞特性。應(yīng)用場(chǎng)景包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭推進(jìn)、爆炸,激波管等。


        ? CEA的主要特點(diǎn):

        • 化學(xué)平衡計(jì)算:能夠根據(jù)給定的初始條件計(jì)算出反應(yīng)體系的化學(xué)平衡狀態(tài)。

        • 熱力學(xué)性質(zhì):提供廣泛的化學(xué)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù),包括但不限于熵、焓、自由能等。

        • 推力與比沖:針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī),計(jì)算特定混合比下推進(jìn)劑的理論比沖。

        • 多環(huán)境適應(yīng)性:支持不同溫度、壓力條件下的分析。

        • 自定義混合物:用戶可以定義自己的化學(xué)組分來分析特定的混合物。



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        擴(kuò)壓器(Diffuser)的建模


        Diffuser元件模擬靜壓恢復(fù)和總壓損失。壓氣機(jī)的排氣速度一般要在100m/s以上,在這么高的速度下是很難組織高效燃燒的,因此需要對(duì)氣流進(jìn)行擴(kuò)壓降速,這主要通過改變流道面積來實(shí)現(xiàn)。一般而言,我們需要將氣流的速度降至35m/s左右。


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        擴(kuò)壓器的位置


        軟件內(nèi)置3種擴(kuò)壓器元件類型,最簡(jiǎn)單的一種需要輸入Cp-靜壓恢復(fù)系數(shù),以及擴(kuò)壓器上下游的通道面積。用戶也可以輸入擴(kuò)壓效率Eff。對(duì)于一進(jìn)多出的流道,在每個(gè)支路上可以設(shè)置Target Flow來控制流量。



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        擴(kuò)壓器的屬性菜單



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        簡(jiǎn)單擴(kuò)壓器的原理圖


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        擴(kuò)壓器效率計(jì)算公式


        旋流杯(Swirler Cup)的建模


        旋流杯的作用是給空氣一些旋轉(zhuǎn),一方面可以提高燃料-空氣的混合,另一方面是創(chuàng)建一個(gè)渦流區(qū)域,為火焰提供一個(gè)穩(wěn)定的燃燒環(huán)境,防止被高速氣流吹滅。


        實(shí)際的旋流杯形狀非常復(fù)雜,F(xiàn)low Simulator并不直接模擬空氣的漩渦,而是通過修改燃燒效率來模擬不充分混合的情況。


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        燃料混合和主火焰區(qū)域


        旋流杯采用Orifice元件模擬,輸入每個(gè)孔的尺寸和損失系數(shù)。Element Multiplicity Factor模擬多孔陣列。


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        旋流杯Orifice的屬性


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        旋流杯建模


        Fuel Source燃料單元


        Fuel Source是燃燒的邊界條件,下游通常連接Momentum Chamber。用戶須輸入壓力,溫度,流量,以及燃料的類型。用戶在Fuel Type中不僅可以選擇燃料,也可以選擇氧化劑、惰性介質(zhì)、混合物、復(fù)合推進(jìn)劑以及制冷劑。求解器在計(jì)算過程中調(diào)用NASA CEA庫分析燃燒產(chǎn)物和溫度,通過求解Rayleigh方程考慮溫度上升造成的壓力損失。


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        Fuel Source的屬性設(shè)置


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        混合燃料的定義


        在本例中,一個(gè)用了6個(gè)Combustion Element確保燃料完全燃燒,并用Tube元件相連。Tube用于考慮燃燒室中的流通面積變化。燃燒室和機(jī)匣之間的冷卻/稀釋空氣通過Orifice單元匯入燃燒區(qū)域參與反應(yīng)。燃燒室出口用Fixed Flow單元控制流體總質(zhì)量。


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        從仿真結(jié)果可以看到,燃料大部分是在哪些位置被消耗掉的,以及溫度,壓力和燃燒產(chǎn)物。


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        燃燒室的溫度云圖


        用文本編輯器打開結(jié)果*res文件,可以查看CEA反應(yīng)物和生成物的詳細(xì)信息。HEAT_ RELEASE是釋放的熱值,F(xiàn)_  A_  EQUIV _ RATIO >1代表這是富油燃燒,生成的中間產(chǎn)物H和H2可以繼續(xù)作為下游的燃料。


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        燃燒室內(nèi)襯溫度仿真


        燃燒室內(nèi)襯承受著巨大的熱負(fù)荷。從傳熱的角度分析,須考慮高溫氣體從內(nèi)側(cè)的對(duì)流和輻射、冷卻空氣從外側(cè)的對(duì)流和輻射、內(nèi)側(cè)氣膜冷卻,以及內(nèi)襯固體材料,包括熱障涂層(Thermal Barrier Coatings)的熱傳導(dǎo)。


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        燃燒室內(nèi)襯傳熱路徑分析


        FlowSimulator在燃燒室模型上增加熱網(wǎng)絡(luò)模型即可模擬內(nèi)襯材料溫度。此時(shí)Analysis Type修改為Steady State Flow + Steady State Thermal。


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        ? 燃燒室壁面內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱建模

        本例中,在沒有氣膜冷卻的壁面,Convector單元換熱系數(shù)HTC和換熱面積設(shè)置為常數(shù),參考溫度取自Combustion 23號(hào)單元的下游7號(hào)Chamber,即主燃區(qū)的火焰溫度。

        有氣膜冷卻的區(qū)域,氣膜的溫度和對(duì)流換熱系數(shù)HTC都是未知變量。軟件采用前饋控制器讀取變量Gauge Variables,并控制變量Manipulated Variables,在迭代過程中從反饋值來修正控制變量。

        ● 編號(hào)FFWD44的控制器分別讀取高溫燃?xì)鉁囟群蜋C(jī)匣冷氣溫度,采用內(nèi)置Python工具編寫理論公式,確定氣膜參考溫度,也就是熱網(wǎng)絡(luò)的邊界節(jié)點(diǎn),編號(hào)BTN10的溫度。

        ● 編號(hào)FFWD46的前饋控制器讀入了5個(gè)變量,分別是30號(hào)Tube單元 (代表燃燒室火焰通道)的流量,截面面積,直徑,以及21號(hào)Chamber的高溫燃?xì)鈱?dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度,采用Python工具編寫理論公式確定氣膜冷卻的HTC。


        火焰筒外側(cè)冷卻的對(duì)流建模采用以上類似步驟。


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        燃燒室內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱建模


        ? 燃燒室內(nèi)側(cè)輻射傳熱建模:

        • 無氣膜冷卻區(qū)域熱輻射,編號(hào)8的Radiator采用簡(jiǎn)單的熱輻射模型,用戶須輸入面積和熱輻射發(fā)射率Emissivity。

        • 有氣膜冷卻區(qū)域的熱輻射,采用編號(hào)45的前饋控制器,分別讀取高溫燃?xì)鉁囟群蛢?nèi)襯固體壁面溫度, 輻射熱通量計(jì)算方法采用Python編寫公式,用于控制編號(hào)14的Heat Flow單元。


        燃燒室外側(cè)的熱輻射采用類似的方法建模。機(jī)匣和內(nèi)襯2個(gè)壁面的熱輻射,采用Radiation between two surfaces選項(xiàng),用戶須輸入面積,發(fā)射率和輻射角系數(shù)。


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        燃燒室內(nèi)側(cè)輻射傳熱建模


        ? 燃燒室內(nèi)襯的固體導(dǎo)熱建模

        • Material Manager中自定義熱障涂層TBC的材料屬性。

        • 內(nèi)襯本體材料和TBC材料的熱阻分別用2個(gè)Conductor創(chuàng)建。


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        自定義材料屬性


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        熱障材料的導(dǎo)熱


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        內(nèi)襯材料導(dǎo)熱

        燃燒室內(nèi)襯的固體導(dǎo)熱建模


        求解器設(shè)定:燃燒仿真須將默認(rèn)的Working Fluid Option改為17/18,兩者的區(qū)別僅在于空氣的屬性是用CEA材料庫還是理想氣體。


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        燃燒模型的求解器設(shè)置


        求解器輸出設(shè)定:求解完成后輸出CEA文件,CEA_ EL*_ IT_ *.out文件包含了化學(xué)平衡反應(yīng)的組分信息。


        090120_571149_jswz.png

        燃燒模型的求解器設(shè)置


        回流燃燒室的一維仿真


        回流燃燒室(Reverse Flow Combustor)是一種特殊設(shè)計(jì)的燃燒室結(jié)構(gòu),其核心特點(diǎn)是燃燒室內(nèi)的高溫燃?xì)饬鲃?dòng)方向與空氣入口流動(dòng)方向相反,形成“回流”路徑。常用于裝有離心式壓氣機(jī)的小型渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上,例如直升機(jī)動(dòng)力。


        回流燃燒一維模型的搭建和常規(guī)燃燒是類似的,需要注意的是調(diào)整流動(dòng)的上下游位置。


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        回流燃燒室一維模型


        總結(jié)

        Flow Simulator 集成了 NASA CEA 化學(xué)反應(yīng)庫,通過求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量和化學(xué)組分的守恒方程,預(yù)測(cè)燃燒室內(nèi)的壓力、溫度、流速和燃燒效率等關(guān)鍵參數(shù)。


        ? 適用場(chǎng)景

        快速評(píng)估燃燒室整體性能(如壓降、燃燒效率),優(yōu)化燃料噴射策略或初步設(shè)計(jì)驗(yàn)證。燃燒室長(zhǎng)度優(yōu)化。通過一維仿真快速評(píng)估不同燃燒室長(zhǎng)度對(duì)燃燒效率的影響,避免“過長(zhǎng)導(dǎo)致壓損過大,過短導(dǎo)致燃燒不充分”的困境。燃料分級(jí)設(shè)計(jì)。模擬主燃區(qū)與補(bǔ)燃區(qū)的燃料分配,平衡高功率工況的穩(wěn)定性和低污染排放需求。極端條件預(yù)測(cè)。在高空低氧條件下,預(yù)判燃燒室熄火風(fēng)險(xiǎn)并優(yōu)化點(diǎn)火策略。


        ? 一維燃燒室仿真的優(yōu)勢(shì)與局限

        優(yōu)勢(shì)

        1.用“分段建?!贝鎻?fù)雜的多維計(jì)算,每個(gè)控制體代表一個(gè)平均狀態(tài)的流動(dòng)單元。計(jì)算速度比三維仿真快百倍以上,適合早期設(shè)計(jì)迭代。

        2.系統(tǒng)級(jí)分析:可與整機(jī)性能模型(如壓氣機(jī)、渦輪)無縫耦合。

        3.物理機(jī)制清晰:通過簡(jiǎn)化模型揭示燃燒室宏觀規(guī)律(如“富油-貧油”燃燒策略的影響)。


        局限

        1.細(xì)節(jié)缺失:無法捕捉局部現(xiàn)象(如火焰穩(wěn)定性、旋流渦結(jié)構(gòu))。

        2.依賴經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停喝紵俾省⑼牧骰旌系葏?shù)需依賴實(shí)驗(yàn)或高維仿真校準(zhǔn)。


        本期的FlowSimulator案例:航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室一維仿真分享就到這里啦,下一期我們將分享更多實(shí)用功能,敬請(qǐng)期待。

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