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前言

航空發(fā)動機的燃燒室

燃燒室位于高壓壓氣機下游，高壓渦輪上游。燃燒室的主要作用是把燃料中的化學能經過燃燒釋放出來，轉變?yōu)闊崮?，使進入發(fā)動機的空氣總焓增加，變?yōu)槿細?。高能的燃氣就具備了在渦輪和尾噴管做功的能力。從工程熱力學的角度，燃燒室屬于能量的注入和轉換的裝置。

航空發(fā)動機中的燃燒室

燃燒室的結構

一維燃燒模型

Altair? Flow Simulator?的一維燃燒模型旨在使用反應物的化學性質來模擬燃燒現(xiàn)象。燃燒元件集成了 NASA CEA代碼進行化學反應計算。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。

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年便開始開發(fā)CEA程序(Chemical Equilibrium with Applications)，其包含 2000多個組分的運輸和熱力學特性。用于計算復雜混合物的化學平衡產物濃度，熱力學和傳遞特性。應用場景包括航空發(fā)動機、火箭推進、爆炸，激波管等。

? CEA的主要特點：

• 化學平衡計算：能夠根據給定的初始條件計算出反應體系的化學平衡狀態(tài)。

• 熱力學性質：提供廣泛的化學物質的熱力學數據，包括但不限于熵、焓、自由能等。

• 推力與比沖：針對火箭發(fā)動機，計算特定混合比下推進劑的理論比沖。

• 多環(huán)境適應性：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組分來分析特定的混合物。

擴壓器(Diffuser)的建模

Diffuser元件模擬靜壓恢復和總壓損失。壓氣機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，因此需要對氣流進行擴壓降速，這主要通過改變流道面積來實現(xiàn)。一般而言，我們需要將氣流的速度降至35m/s左右。

擴壓器的位置

軟件內置3種擴壓器元件類型，最簡單的一種需要輸入Cp-靜壓恢復系數，以及擴壓器上下游的通道面積。用戶也可以輸入擴壓效率Eff。對于一進多出的流道，在每個支路上可以設置Target Flow來控制流量。

擴壓器的屬性菜單

簡單擴壓器的原理圖

擴壓器效率計算公式

旋流杯(Swirler Cup)的建模

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

實際的旋流杯形狀非常復雜，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。

燃料混合和主火焰區(qū)域

旋流杯采用Orifice元件模擬，輸入每個孔的尺寸和損失系數。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、混合物、復合推進劑以及制冷劑。求解器在計算過程中調用NASA CEA庫分析燃燒產物和溫度，通過求解Rayleigh方程考慮溫度上升造成的壓力損失。

Fuel Source的屬性設置

混合燃料的定義

在本例中，一個用了6個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。燃燒室出口用Fixed Flow單元控制流體總質量。

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

燃燒室的溫度云圖

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

燃燒室內襯溫度仿真

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

燃燒室內襯傳熱路徑分析

FlowSimulator在燃燒室模型上增加熱網絡模型即可模擬內襯材料溫度。此時Analysis Type修改為Steady State Flow + Steady State Thermal。

? 燃燒室壁面內側對流傳熱建模：

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

有氣膜冷卻的區(qū)域，氣膜的溫度和對流換熱系數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FFWD44的控制器分別讀取高溫燃氣溫度和機匣冷氣溫度，采用內置Python工具編寫理論公式，確定氣膜參考溫度，也就是熱網絡的邊界節(jié)點，編號BTN10的溫度。

● 編號FFWD46的前饋控制器讀入了5個變量，分別是30號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Chamber的高溫燃氣導熱系數和動力粘度，采用Python工具編寫理論公式確定氣膜冷卻的HTC。

火焰筒外側冷卻的對流建模采用以上類似步驟。

燃燒室內側對流傳熱建模

? 燃燒室內側輻射傳熱建模：

• 無氣膜冷卻區(qū)域熱輻射，編號8的Radiator采用簡單的熱輻射模型，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45的前饋控制器，分別讀取高溫燃氣溫度和內襯固體壁面溫度， 輻射熱通量計算方法采用Python編寫公式，用于控制編號14的Heat Flow單元。

燃燒室外側的熱輻射采用類似的方法建模。機匣和內襯2個壁面的熱輻射，采用Radiation between two surfaces選項，用戶須輸入面積，發(fā)射率和輻射角系數。

燃燒室內側輻射傳熱建模

? 燃燒室內襯的固體導熱建模

• Material Manager中自定義熱障涂層TBC的材料屬性。

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

自定義材料屬性

熱障材料的導熱

內襯材料導熱

燃燒室內襯的固體導熱建模

求解器設定：燃燒仿真須將默認的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。

燃燒模型的求解器設置

求解器輸出設定：求解完成后輸出CEA文件，CEA_ EL*_ IT_ *.out文件包含了化學平衡反應的組分信息。

燃燒模型的求解器設置

回流燃燒室的一維仿真

回流燃燒室（Reverse Flow Combustor）是一種特殊設計的燃燒室結構，其核心特點是燃燒室內的高溫燃氣流動方向與空氣入口流動方向相反，形成“回流”路徑。常用于裝有離心式壓氣機的小型渦輪軸發(fā)動機上，例如直升機動力。

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

回流燃燒室一維模型

總結

Flow Simulator 集成了 NASA CEA 化學反應庫，通過求解質量、動量、能量和化學組分的守恒方程，預測燃燒室內的壓力、溫度、流速和燃燒效率等關鍵參數。

? 適用場景

快速評估燃燒室整體性能（如壓降、燃燒效率），優(yōu)化燃料噴射策略或初步設計驗證。燃燒室長度優(yōu)化。通過一維仿真快速評估不同燃燒室長度對燃燒效率的影響，避免“過長導致壓損過大，過短導致燃燒不充分”的困境。燃料分級設計。模擬主燃區(qū)與補燃區(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。極端條件預測。在高空低氧條件下，預判燃燒室熄火風險并優(yōu)化點火策略。

? 一維燃燒室仿真的優(yōu)勢與局限

優(yōu)勢

1.用“分段建?！贝鎻碗s的多維計算，每個控制體代表一個平均狀態(tài)的流動單元。計算速度比三維仿真快百倍以上，適合早期設計迭代。

2.系統(tǒng)級分析：可與整機性能模型（如壓氣機、渦輪）無縫耦合。

3.物理機制清晰：通過簡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.細節(jié)缺失：無法捕捉局部現(xiàn)象（如火焰穩(wěn)定性、旋流渦結構）。

2.依賴經驗模型：燃燒速率、湍流混合等參數需依賴實驗或高維仿真校準。

本期的FlowSimulator案例：航空發(fā)動機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用功能，敬請期待。