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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(guò)燃燒釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣總焓增加，變?yōu)槿細(xì)?。高能的燃?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。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒室

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(lái)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)。

一維燃燒元件

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(kāi)始開(kāi)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(lái)分析特定的混合物。

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(guò)改變流道面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般而言，我們需要將氣流的速度降至35m/s左右。

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(lái)控制流量。

擴(kuò)壓器的屬性菜單

簡(jiǎn)單擴(kuò)壓器的原理圖

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(guò)修改燃燒效率來(lái)模擬不充分混合的情況。

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。

旋流杯Orifice的屬性

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(guò)程中調(diào)用NASA CEA庫(kù)分析燃燒產(chǎn)物和溫度，通過(guò)求解Rayleigh方程考慮溫度上升造成的壓力損失。

Fuel Source的屬性設(shè)置

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(guò)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。

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。

燃燒室的溫度云圖

用文本編輯器打開(kāi)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。

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)。

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。

? 燃燒室壁面內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱建模：

本例中，在沒(méi)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(guò)程中從反饋值來(lái)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(xiě)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(xiě)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。

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(wú)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(xiě)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)。

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。

自定義材料屬性

熱障材料的導(dǎo)熱

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(kù)還是理想氣體。

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。

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。

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(kù)，通過(guò)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(guò)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(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致壓損過(guò)大，過(guò)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“分段建模”代替復(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(wú)縫耦合。

3.物理機(jī)制清晰：通過(guò)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(wú)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。