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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(jīng)過燃燒釋放出來，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的裝置。

航空發(fā)動機中的燃燒室

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物的化學性質(zhì)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(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(chǎn)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(jù)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(zhì)：提供廣泛的化學物質(zhì)的熱力學數(shù)據(jù)，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(nèi)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(shù)，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(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(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、復合推進劑以及制冷劑。求解器在計算過程中調(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。

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(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

用文本編輯器打開結(jié)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(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荷。從傳熱的角度分析，須考慮高溫氣體從內(nèi)側(cè)的對流和輻射、冷卻空氣從外側(cè)的對流和輻射、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。

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)絡模型即可模擬內(nèi)襯材料溫度。此時Analysis Type修改為Steady State Flow + Steady State Thermal。

? 燃燒室壁面內(nèi)側(cè)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(shù)HTC和換熱面積設置為常數(shù)，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(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(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(shù)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(cè)冷卻的對流建模采用以上類似步驟。

燃燒室內(nèi)側(cè)對流傳熱建模

? 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(nèi)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(cè)的熱輻射采用類似的方法建模。機匣和內(nèi)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(shù)。

燃燒室內(nèi)側(cè)輻射傳熱建模

? 燃燒室內(nèi)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(nèi)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(nèi)襯材料導熱

燃燒室內(nèi)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(jié)構(gòu)，其核心特點是燃燒室內(nèi)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(diào)整流動的上下游位置。

回流燃燒室一維模型

總結(jié)

Flow Simulator 集成了 NASA CEA 化學反應庫，通過求解質(zhì)量、動量、能量和化學組分的守恒方程，預測燃燒室內(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(jié)構(gòu)）。

2.依賴經(jīng)驗模型：燃燒速率、湍流混合等參數(shù)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。