燃燒室性能數(shù)值模擬樣例解讀

1、某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能數(shù)值模擬某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能數(shù)值模擬摘要本文以某型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為研究對(duì)象，該型燃燒室是環(huán)形燃燒室，為了取得滿(mǎn)意的模擬結(jié)果，同時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，截取了帶有三個(gè)頭部的火焰筒扇形段 作為計(jì)算模型。使用Gambit軟件完成了燃燒室模型的建立，采用 Fluent軟件對(duì)某型 發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)燃燒室流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出燃燒室典型截面的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。分析計(jì)算結(jié)果表明，火焰的最高溫度位于主燃孔的 軸向位置，火焰溫度在主燃孔附近達(dá)到最高溫度后開(kāi)始下降，燃燒室出口溫度場(chǎng)中， 出口截面最高溫度為1820K,平均溫度為1342K,溫度分布整體上比較均

2、勻。燃燒室 出口的平均速度為128.99m/s這些數(shù)值符合環(huán)形燃燒室的燃燒特點(diǎn)，可見(jiàn)數(shù)值模擬在 一定程度上可以真實(shí)反應(yīng)火焰筒內(nèi)的氣流結(jié)構(gòu)和燃燒過(guò)程。這些結(jié)果為今后燃燒室的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、研制和發(fā)展提供有價(jià)值的參考依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：燃燒室；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬；流場(chǎng)；#沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）Numerical Simulation of Combustor Performance ofCertain Aero-EngineAbstractThis article is aimed at studying certain aero-engine, this type of combusti

3、on chamber is annular, in order to obtain satisfactory simulation results, considering calculation capacity of the computer, we have intercepted flame canister fan-shaped section with three heads as a computation model. We have used Gambit software to complete the combustion model, using Fluent soft

4、ware to simulate the peak load of this aero-engine combustion chamber flows and state, to conclude the flow field of combustion chamber typical section, the temperature field .Then the obtained results are analyzed. Analysis shows that the calculation results are acute, it also shows that the highes

5、t temperature of flame is in the axial position of the primary holes, the flame temperature on the primary holes began to fall after the highest temperature near the combustion chamber, in the field of outlet temperature, the highest temperature of export section is 1820K, the average temperature is

6、 1342K, the distribution of the temperature is overall even. The average speed of combustion chamber exports is 128.99 m/s, these values match the annular combustion chamber combustion characteristics, it is visible that in some extent numerical simulation could actual response in the combustor line

7、r airflow structure and burning process. These results provide valuable reference basis and data for the design, improvement, development and improvement of the combustion chamber in the future.Keywords: combustor; Numerical simulation; Velocity field; Temperature fieldiii沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄1緒論11.1 弓

8、I言11.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工作情況21.3 燃燒室的研究方法31.4 燃燒室數(shù)值模擬的現(xiàn)狀和發(fā)展41.5 數(shù)值分析在燃燒室模擬中的應(yīng)用51.6 本課題研究對(duì)象及內(nèi)容 62燃燒室數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值解法 72.1 基本數(shù)學(xué)物理模型 72.1.1 基本控制方程 72.1.2 湍流模型92.1.3 燃燒模型92.1.4 輻射模型132.1.5 微分方程組的通用形式 132.2 數(shù)值計(jì)算方法 142.2.1 三維氣相燃燒流場(chǎng)的離散方程 142.2.2 離散化方程的求解163軟件選擇與模型建立183.1 軟件的選擇183.1.1 FLUENT 軟件183.1.2 GAMBIT 軟件183.2

9、 燃燒模型的建立及網(wǎng)格劃分193.3 邊界條件204模擬結(jié)果和分析224.1 弓 |言224.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析234.3 速度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析275結(jié)論32參考文獻(xiàn)34錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。#沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)1緒論1.1引言航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為飛機(jī)的“心臟”，而燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，它同壓氣機(jī)、 渦輪一起構(gòu)成航空推進(jìn)系統(tǒng)的三大核心部件。它直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力以及排放物 污染成分含量，發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和壽命在很大程度上也取決于燃燒室的可靠 性和有效程度。燃燒室用來(lái)將燃油中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?將壓氣機(jī)增壓后的高壓空 氣加熱到渦輪前允許溫度，以便進(jìn)入渦輪和排氣裝置內(nèi)膨脹

10、做功。 本文的目的是對(duì)某 型發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)燃燒室流場(chǎng)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出燃燒室典型截面的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，為今后燃燒室的研制和發(fā)展提供有價(jià)值的理論依據(jù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，其主要構(gòu)件有：燃燒室機(jī)匣、擴(kuò)壓器、旋流器、 火焰筒、燃油噴嘴、點(diǎn)火器等。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，來(lái)自壓氣機(jī)的高速高壓的氣流通過(guò)擴(kuò) 壓器降低速度，這樣有利于組織燃燒，減小壓力損失。經(jīng)擴(kuò)壓器降低速度后的氣流分 流成兩部分：一部分經(jīng)火焰筒頭部的旋流器及其他進(jìn)氣孔進(jìn)入主燃區(qū)，統(tǒng)稱(chēng)為第一股空氣，另一部分流向火焰筒與機(jī)匣之間的通道，并從主燃孔、冷卻孔、補(bǔ)燃孔及摻混 孔進(jìn)入火焰筒，統(tǒng)稱(chēng)為第二股空氣。旋流器及主燃孔進(jìn)氣主要是參與主燃區(qū)的燃燒

11、， 冷卻孔及摻混孔的空氣作為冷卻空氣和摻混用氣，進(jìn)入摻混區(qū)與高溫燃燒產(chǎn)物摻混， 把排氣溫度降到渦輪葉片能夠承受的程度，并獲得一定的溫度場(chǎng)分布。燃燒室通常有圓筒形、分管型、環(huán)管型和環(huán)形之分。本文研究的是環(huán)形燃燒室的 數(shù)值模擬，環(huán)形燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：燃燒室的內(nèi)、外殼體構(gòu)成環(huán)形氣流通道，通道內(nèi) 安裝的是一個(gè)由內(nèi)外壁構(gòu)成的環(huán)形火焰筒，因而燃燒是在環(huán)形的燃燒區(qū)和摻混區(qū)內(nèi)進(jìn) 行。環(huán)形燃燒室是航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的理想形式。從上個(gè)世紀(jì)六十年代以后，環(huán)形燃燒室的布局已經(jīng)成為了主流，在新研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，自動(dòng)的選擇環(huán)形燃燒室。 例如，GE 的 CF6,CFM56, GE90,F110 等，P&W 的

12、JT9D,F100, F119 等，RR 的 RB211,Trent等，以及我國(guó)2005年底定型的太行發(fā)動(dòng)機(jī)。環(huán)形燃燒室的燃燒好，總壓 損失小，燃燒室出口流暢及溫度場(chǎng)分布均勻，燃燒室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、耐用性好， 火焰筒表面積與容積比較小，因而需要的冷卻空氣量比較少；燃燒室的軸向尺寸短， 有利于減小轉(zhuǎn)子的跨度和降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總體重量。 但由于大型發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室的研 制需要大型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使得這種形式的燃燒室在大型發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最晚。燃燒室的工作條件十分惡劣。燃燒過(guò)程是在高速氣流(10050m/s)和貧油混合 氣中進(jìn)行。燃燒室的零件是在高溫、高負(fù)荷下工作，承受著由氣體力、慣性力產(chǎn)生的 靜載荷和振動(dòng)載

13、荷，燃燒室殼體是發(fā)動(dòng)機(jī)主要承力件。燃燒室的零組件主要是薄壁件， 工作中時(shí)常出現(xiàn)翹曲、變形、裂紋、掉塊、積炭、過(guò)熱、燒穿等故障。為此，燃燒室 的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下主要要求：(1)在飛行包線(xiàn)內(nèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)一切正常工作狀態(tài)下，燃燒室應(yīng)保證混合氣穩(wěn)定 而安全地燃燒，具有高的完全燃燒系數(shù)和低的壓力損失系數(shù)；(2)燃?xì)獾幕鹕嘁蹋隹跉饬骺倻夭坏艿綔u輪葉片材料耐熱性能的限制， 而且出口的燃?xì)鉁囟葓?chǎng)沿圓周要均勻，沿葉高應(yīng)保證按渦輪要求的規(guī)律分布；(3)燃燒室的零組件及其連接處應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛性，良好的冷卻和可靠 的熱補(bǔ)償；(4)燃燒室的外殼尺寸和重量要小，有著高的容熱強(qiáng)度；(5)燃燒室的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，有良好的

14、使用性能。在地面和在空中啟動(dòng)可靠，排 氣污染小，維護(hù)檢查方便，使用期限長(zhǎng)。為確保燃燒室在任何工況下都能穩(wěn)定而又經(jīng)濟(jì)地燃燒，在現(xiàn)有的燃燒室設(shè)計(jì)中， 對(duì)氣流流動(dòng)過(guò)程的組織，幾乎都采取了以下幾方面措施：(1)采用擴(kuò)壓器，使進(jìn)入燃燒區(qū)的氣流速度從壓氣機(jī)出口的120180m/s降到3050m/s,以減少氣流的壓力損失；(2)采取氣流“分流”的辦法，以提高燃燒區(qū)的溫度，并使冷卻和摻混用氣得 到保證。這樣，燃燒室就能在較大的總余氣系數(shù)下工作，滿(mǎn)足穩(wěn)定燃燒和渦輪葉片溫 度限制兩方面的需要；(3)采用火焰穩(wěn)定器，使在燃燒區(qū)內(nèi)能夠形成一個(gè)特殊的氣流結(jié)構(gòu)，為穩(wěn)定火 焰創(chuàng)造條件。廣泛采用的旋流器就是一種典型結(jié)構(gòu)。1.

15、2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工作情況航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料是液體燃料，燃料首先經(jīng)過(guò)噴嘴霧化成很細(xì)的油滴， 在噴嘴附 近的燃燒空間中，形成一股由無(wú)數(shù)的油滴組成的中空的錐形燃料流， 并且由于氣流徑 向速度的作用，燃料流的中空錐體還會(huì)逐漸擴(kuò)張。 這樣，大部分燃料正好集中在位于 火焰筒外側(cè)的新鮮空氣中，有利于形成燃料與空氣的可燃混合物。當(dāng)空氣從火焰筒頭部進(jìn)入，燃料從噴嘴噴入后，空氣與油霧迅速摻混，在火焰筒 外側(cè)形成可燃混合物，由放置在頭部的點(diǎn)火器對(duì)其點(diǎn)燃。 燃燒過(guò)程中，油滴首先受熱 蒸發(fā)，逐漸在油滴表面附近形成燃料蒸汽層。 燃料蒸汽與空氣混合，當(dāng)燃料濃度在可 燃范圍內(nèi)即發(fā)生燃燒。燃燒主要在火焰筒頭部發(fā)生，燃燒后的

16、混氣由于氣流運(yùn)動(dòng)向下游移去， 環(huán)腔內(nèi)的 空氣經(jīng)摻混孔和冷卻孔進(jìn)入火焰筒， 與混氣混合，降低混氣溫度，得到一定的出口溫 度場(chǎng)分布。燃燒室工作時(shí)，火焰筒存在流體動(dòng)力過(guò)程，燃油霧化、運(yùn)動(dòng)、蒸發(fā)、摻混過(guò)程， 燃燒過(guò)程，傳熱過(guò)程以及冷、熱氣流摻混過(guò)程等，并且這些物理化學(xué)變化相互關(guān)聯(lián)相 互影響。氣體的流動(dòng)、燃油的噴射及液滴蒸發(fā)的快慢影響著燃?xì)獾膿交旒皾舛?，而燃?xì)獾膿交?、濃度等又與燃燒的進(jìn)行有關(guān)。燃燒的發(fā)生使燃燒室內(nèi)的溫度、壓力發(fā)生變 化，從而又影響著氣體的流動(dòng)、液滴的蒸發(fā)速度等。燃燒室的數(shù)值計(jì)算包括多種物理 化學(xué)變化的計(jì)算，由于各物理化學(xué)變化之間的相關(guān)性，使得燃燒室數(shù)值計(jì)算非常復(fù)雜， 一個(gè)計(jì)算模型選用不當(dāng)

17、或考慮不周全就可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的失真。1.3 燃燒室的研究方法由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的工作研究具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義，國(guó)內(nèi)外很早就開(kāi)展了對(duì)它的研究。歸納起來(lái)，研究方法可分為兩種：(1)試驗(yàn)法。由于燃燒室中的燃燒過(guò)程非常復(fù)雜，包括氣體流動(dòng)和摻混、燃油 霧化蒸發(fā)和混合、化學(xué)反應(yīng)、燃?xì)獾妮椛浜蛯?duì)流、傳熱傳質(zhì)等各種現(xiàn)象。完全掌握各 種過(guò)程的機(jī)理是很困難的。因此在過(guò)去燃燒室設(shè)計(jì)中，主要依靠大量的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積 累，并在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一維半經(jīng)驗(yàn)和半分析的燃燒室研究方法。例如：采用扇形 段燃燒室試驗(yàn)器進(jìn)行試驗(yàn)，裝設(shè)光測(cè)系統(tǒng)。分別在各種工作狀態(tài)下測(cè)量流場(chǎng)的分布情 況；觀測(cè)其燃燒的火焰顏色，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，黃色火焰為富油

18、燃燒，藍(lán)色火焰為貧油燃燒, 等等。這種研究方法是適用和可靠的，但是需要較長(zhǎng)的研制時(shí)間、較多的研制經(jīng)費(fèi)。 早期的燃燒室研究都采用這種方法，目前還在沿用，歸納為試驗(yàn)-總結(jié)改進(jìn)-再試驗(yàn)再改進(jìn)的循環(huán)前進(jìn)，對(duì)燃燒室的設(shè)計(jì)起到重要作用 5-7。（2）數(shù)值模擬法。當(dāng)前，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，對(duì)于燃燒室的要求也 日益苛刻，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法已不能完全滿(mǎn)足現(xiàn)代先進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)要求， 加上現(xiàn)代燃燒室加工和試驗(yàn)費(fèi)用十分昂貴，迫切需要發(fā)展一種新的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。這 種新的設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)是以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、數(shù)值傳熱學(xué)（NHT）、計(jì)算燃燒 學(xué)（CCD）為核心，把燃燒室的幾何形狀、結(jié)構(gòu)尺寸和進(jìn)出口狀態(tài)作

19、為定解條件，通 過(guò)計(jì)算機(jī)求解控制微分方程組，便可以計(jì)算出燃燒室內(nèi)部流體速度、 溫度和壓力等參 數(shù)的分布及其變化，而后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明方法的可行性和精度，再將改進(jìn)的數(shù)值 模擬結(jié)果用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)用1, 4, 20, 40。它的主要功能如下：模擬燃燒過(guò)程， 如點(diǎn)火，熄火，火焰穩(wěn)定，燃燒室中的氣流結(jié)均，濃度場(chǎng) ，溫度場(chǎng)，燃油噴注，油 滴運(yùn)動(dòng)、蒸發(fā)、燃燒等物理化學(xué)過(guò)程；預(yù)估不同條件下燃燒室的性能，如總壓損失、 燃燒效率、出口溫度分布品質(zhì)、壁溫、貧油熄火特性、排氣污染等；燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)， 在初步設(shè)計(jì)階段用于方案選擇，在技術(shù)設(shè)計(jì)階段用于產(chǎn)品性能評(píng)估與定型；指導(dǎo)燃燒試驗(yàn)，減少試驗(yàn)次數(shù)，進(jìn)行燃燒故障的模擬

20、與分析，縮短燃燒室研制周期，減少試驗(yàn) 費(fèi)用;對(duì)燃燒室復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象提供更深刻的認(rèn)識(shí)，提出新的設(shè)計(jì)概念。1.4 燃燒室數(shù)值模擬的現(xiàn)狀和發(fā)展1969年英國(guó)Gosman等人出版了回流流動(dòng)中熱量與質(zhì)量交換 一書(shū)，公布了應(yīng) 用渦量流函數(shù)法求解燃燒室中湍流反應(yīng)流的計(jì)算方法和程序，為計(jì)算燃燒學(xué)的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。19751978年美國(guó)Mongia等人為小發(fā)動(dòng)機(jī)公司研制了先進(jìn)的高溫 開(kāi)回流燃燒室氣動(dòng)熱力計(jì)算程序，這是可以進(jìn)行實(shí)際燃燒室性能預(yù)估的第一代計(jì)算模 擬軟件。目前，隨著燃燒理論模型的突破和算法的改進(jìn)，F(xiàn)LUENT、CFX、PHOENICS、 STARCD、CFDRC等軟件通過(guò)不斷的技術(shù)完善，都可

21、以用來(lái)對(duì)燃燒室燃燒過(guò)程進(jìn) 行數(shù)值模擬。其中FLUENT軟件的應(yīng)用最為廣泛，它在網(wǎng)格生成，物理模型，數(shù)值 方法，前后置處理方面吸收了當(dāng)代計(jì)算流體力學(xué)許多先進(jìn)技術(shù)，是業(yè)界公認(rèn)的最好的計(jì)算軟件。國(guó)內(nèi)在 20 世紀(jì) 80 年代末開(kāi)發(fā)了 TTRRF （Three-dimensional Two-phase Recirculating Reacting Flows）三維兩相回流反應(yīng)程序。該程序采用笛卡兒直角坐標(biāo)系 或圓柱坐標(biāo)系，用臺(tái)階近似曲壁，用堵塊處理流場(chǎng)中障礙物，具有一定的處理復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜流場(chǎng)的功能。采用了標(biāo)準(zhǔn)的雙方程湍流模型，EBU (Eddy Break-up)湍流燃燒模型，6通量熱輻射模型

22、，PSIC兩相流模型。具有處理多個(gè)進(jìn)口和出口的能 力，可用于計(jì)算環(huán)形燃燒室、環(huán)管燃燒室火焰筒內(nèi)外流場(chǎng)及壁溫分布。在20世紀(jì)90年代初，根據(jù)國(guó)內(nèi)發(fā)展需要，開(kāi)發(fā)了采用三維貼體坐標(biāo)系的兩相湍流反應(yīng)流軟件 CTTRRF。這個(gè)軟件可以進(jìn)行噴嘴出口及火焰筒頭部流場(chǎng)、 火焰筒內(nèi)速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、 溫度場(chǎng)及燃燒室性能的模擬計(jì)算。目前這一研究工作還在不斷的發(fā)展與完善1.5 數(shù)值分析在燃燒室模擬中的應(yīng)用隨著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，求解非線(xiàn)性偏微分方程數(shù)值方法的進(jìn)展以及燃燒先 進(jìn)診斷技術(shù)的發(fā)展，使燃燒科學(xué)與技術(shù)發(fā)生了深刻的變化， 逐步形成了一種新型的燃 燒室設(shè)計(jì)計(jì)算方法。這種燃燒室設(shè)計(jì)方法基于計(jì)算流體力學(xué)、 計(jì)算傳熱學(xué)

23、和計(jì)算燃燒 學(xué)的原理。以計(jì)算機(jī)為工具，用數(shù)值方法求解控制燃燒現(xiàn)象的基本偏微分方程組，從而模擬燃燒室中流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和燃燒過(guò)程的細(xì)節(jié)，預(yù)估燃燒室氣動(dòng)熱力性能。燃燒室氣動(dòng)熱力性能數(shù)值分析大致可分為以下步驟：(1)建立基本守恒方程組從流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)和燃燒學(xué)等基本原理出發(fā)，建立質(zhì)量、動(dòng)量、 能量和組分等守恒方程。(2)確定定解條件定解條件包括初始條件和邊界條件。邊界條件是指燃燒室進(jìn)出口，軸線(xiàn)(或?qū)ΨQ(chēng) 面)，壁面，自由表面處條件。對(duì)于非定常流還要給定初始條件。(3)選擇物理模型湍流兩相燃燒流的基本方程組中有許多項(xiàng)是未知的， 因此方程組是不封閉的。為 了使方程組封閉必須構(gòu)造或選擇相應(yīng)的物理

24、模型， 如湍流流動(dòng)模型、兩相流模型、湍 流燃燒模型、輻射換熱模型等。(4)建立離散化方程湍流兩相燃燒流動(dòng)的基本方程具有數(shù)目多，相互耦合和非線(xiàn)性的特點(diǎn)，這就決定了在一般情況下只能用數(shù)值方法求解。偏微分方程組的離散化是使用計(jì)算機(jī)求解的前 提。目前有許多離散化方法，如有限差分法等；有中心差分、高階差分等格式；有顯式、半隱式差分方案。對(duì)于湍流兩相燃燒，常用的是有限差分中的控制容積法，一階 或高階迎風(fēng)差分格式和隱式方案求解區(qū)域離散化，又稱(chēng)計(jì)算網(wǎng)格的剖分是微分方程離散的基礎(chǔ)。網(wǎng)格劃分關(guān)系到 離散方程的形式、收斂性、經(jīng)濟(jì)性及準(zhǔn)確性。對(duì)于簡(jiǎn)單幾何形狀可采用直角坐標(biāo)系或 圓柱坐標(biāo)系。對(duì)于復(fù)雜幾何形狀需要采用曲線(xiàn)

25、坐標(biāo)系。(5)制定求解方法對(duì)于單項(xiàng)流動(dòng)的離散化方程組，目前應(yīng)用比較廣泛的有GENMIX算法和SIMPLE 算法。GENMIX是一種前進(jìn)積分算法，用于求解拋物型問(wèn)題(如邊界層、射流、管 流等)。SIMPLE是一種壓力速度耦合的半隱式算法，用于求解有回流的橢圓型問(wèn)題， 需要迭代求解。(6)計(jì)算機(jī)程序的編制和調(diào)試對(duì)計(jì)算機(jī)程序的要求主要是可靠性、 經(jīng)濟(jì)性和通用性?？煽啃允侵赣?jì)算結(jié)果要真 實(shí)可靠，符合試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)濟(jì)性主要是指對(duì)計(jì)算機(jī)儲(chǔ)量和計(jì)算時(shí)間適中， 為此要求差 分格式好，算法收斂速度快。通用性是一個(gè)程序能求解多個(gè)問(wèn)題，適應(yīng)性廣。(7)前置處理和后置處理前置處理包括網(wǎng)格生成和物理化學(xué)特性的輸入，邊界條

26、件和初始條件的給定，確 定問(wèn)題的類(lèi)型，指定求解方法等。后處理一般包括：在二維或三維問(wèn)題中各變量的等值線(xiàn)或等值面圖， 各變量的三 維網(wǎng)格曲面圖，速度向量圖，完善的著色功能，包括單色作圖和漸變的調(diào)和色作圖。1.6 本課題研究對(duì)象及內(nèi)容本課題的研究對(duì)象為某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。該型燃燒室是環(huán)形的，共有 28 個(gè)頭部，每一個(gè)頭部都安裝有一個(gè)燃油噴嘴。為了取得滿(mǎn)意的模擬結(jié)果，同時(shí)考慮到 計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，截取了帶有三個(gè)頭部的火焰筒扇形段。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，利用 GAMBIT軟件建立模型，采用FLUENT計(jì)算軟件對(duì)燃燒室的最大狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬， 獲得火焰筒內(nèi)典型截面的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，并對(duì)計(jì)算所得到的結(jié)果進(jìn)行分

27、析。5沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2燃燒室數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值解法2.1 基本數(shù)學(xué)物理模型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃燒過(guò)程包括三維的湍流流動(dòng)（如回流和強(qiáng)旋流動(dòng)）、兩相流動(dòng)（如燃油的霧化、蒸發(fā)和運(yùn)動(dòng)）、化學(xué)反應(yīng)（如高釋熱率和密度梯度，以及冒 煙和NOx等污染物排放），輻射換熱過(guò)程等。應(yīng)用化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)的基本定律，可 以建立控制流體湍流運(yùn)動(dòng)及燃燒過(guò)程的微分方程組。流體湍流運(yùn)動(dòng)及燃燒過(guò)程實(shí)際上 是三維、非穩(wěn)態(tài)、多相、多組分、湍流、熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射換熱、化學(xué)反應(yīng)及 其相互作用的過(guò)程，這復(fù)雜過(guò)程必須服從湍流運(yùn)動(dòng)的四個(gè)基本守恒方程，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、組分守恒方程，根據(jù)這四個(gè)基本方

28、程，可以得出控制流體湍流 運(yùn)動(dòng)及燃燒過(guò)程的基本微分方程組，加上湍流流動(dòng)、湍流燃燒、輻射等模型及一些物 性關(guān)系式，便可以得到描述流體湍流運(yùn)動(dòng)及燃燒的封閉微分方程組。2.1.1 基本控制方程定常、全橢圓、密度加權(quán)的N.S方程用于描述氣相，在低馬赫數(shù)下，同液相的能 量和動(dòng)量方程耦聯(lián)。標(biāo)準(zhǔn)k-'模型提供湍流封閉，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)處理。求解 氣相的守恒方程為動(dòng)量、質(zhì)量、湍流動(dòng)能及其耗散的諸方程結(jié)合。（1）質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程亦稱(chēng)為連續(xù)性方程。柱坐標(biāo)下的連續(xù)方程為11 二(2.1)(:rv)(：w) (： u) =Sm,p r .r r 二1二x式中，Sm,p為質(zhì)量源項(xiàng)（2）動(dòng)量守恒方程動(dòng)量

29、守恒方程即是運(yùn)動(dòng)方程。它的基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)第二定律：即微元體動(dòng)量的 變化率等于作用在微元體上的外力矢量和。將作用于微元體上的體積力（重力、電磁 力）和表面力（壓力、粘性力），作用于一個(gè)微元體上可建立三個(gè)方向的動(dòng)量守恒方15程。x向動(dòng)量方程為:.:t1 fr；:r一P 2 :udiv( vu - gradu )=_-(Jdivv) (u ) ex3 ex二x tx,fvLr -)二x1 :. .：w cX)SUP(2.2)r向動(dòng)量方程為:；：（；v）什div( ：uv - "gradv):- 2 一 ( Ldivv) ( J -) ；-r 3 二 r二 x 二 rw - 1 W v 1

30、2-) -2-( ) ：wSv,pr r .二 r r(2.3)8向動(dòng)量方程為:.:(：w).,1 FP日" vw gradw) = . r 汨.：vW1 ：, :：w ,) (2v)r. 1 r r :二 r .二1 u ：:u(divv)()r ; X rPvww , Fw1 v w、一()Sr r 二r r . 1 rw,p(2.4)式中，u、v、w分別為x、r、e方向的速度分量；v是u、v、w合成速度矢量； p、*、N分別為氣體的壓力、密度和動(dòng)力粘性系數(shù)。符號(hào)div表示散度；grad表示梯 度；$呻、Sup、Svp、SwP表示由于液相對(duì)氣相產(chǎn)生的質(zhì)量源項(xiàng)和動(dòng)量源項(xiàng)。（3）能量

31、守恒方程久由0 ） WTT t.cT石m cmi+ （ M為）= （ui ）+ （1）+囚r+£（耳工）。日 "叫叫 cxjcxj lcxj（222u；一u；h0 = h,h = " mlhl,h° = h式中，h0為滯止始，即總始，2 l2,ml和hl分別是組分l在混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和比始，1和W分別是組分l和其始的輸運(yùn)系數(shù)或交換系數(shù)，qR為輻射熱。（4）組分守恒方程2/”)=萩。) Ri(2.6)式中，R是由于化學(xué)反應(yīng)引起的組分1的產(chǎn)生率。上式表示化學(xué)組分1的質(zhì)量增 加率，等于組分1進(jìn)入單位體積的凈流率加上單位體積中由于化學(xué)反應(yīng)引起的產(chǎn)生或 消耗率。

32、2.1.2湍流模型數(shù)值模擬常采用K-&雙方程湍流模型。湍流脈動(dòng)能量K方程為:二三（：K） div（:vK -Keff gradK） =Gk 油、&（2.7）湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率6方程為：（P；） div（ Pv ； - eff grad ；） = （CiGk - C2 P；） ； / K日（2.8）式中，Gk是脈動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Cd、Ci、C2是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Kef、副分別是k和名 的有效交換系數(shù)。2.1.3燃燒模型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室數(shù)值模擬中常用的液霧燃燒模型有：有限反應(yīng)率的EBU （EddyBreak Up Model 旋渦破碎）一Arrhenius 模型、PDF（Probabili

33、ty Density Function,概率 密度函數(shù)）模型。前一模型是由Spalding首先提出的，考慮兩個(gè)機(jī)理Arrhenius機(jī)理 （層流反應(yīng)機(jī)理）和湍流脈動(dòng)機(jī)理控制著反應(yīng)率。PDF模型求解的是速度和化學(xué)熱力學(xué)參數(shù)的聯(lián)合概率密度函數(shù)的輸運(yùn)方程。在這個(gè)方程中，與湍流輸運(yùn)和化學(xué)反應(yīng)速率有關(guān)的項(xiàng)都以封閉的形式出現(xiàn)， 可以精確計(jì)算， 從而避免了對(duì)一些重要過(guò)程的模擬。PDF輸運(yùn)模型很適合于模擬那些考慮湍流流動(dòng)、復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)及其相互耦合的湍流反應(yīng)流問(wèn)題，如點(diǎn)火、熄火、湍流燃燒、污染物、 出口溫度分布計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜的擴(kuò)散燃燒，Smoot等人提出了簡(jiǎn)化PDF與局部瞬時(shí)平衡相結(jié)合的模型。對(duì)于同軸射流射入突

34、擴(kuò)燃燒室的情況， 具中心一次射流為燃油與空氣，環(huán)縫射流 為純空氣二次射流，引入混合物分?jǐn)?shù),為f mpf 二(2.9)mn msp s式中，mp為來(lái)自一次流的流體原子質(zhì)量， ms為來(lái)自二次流的流體原子質(zhì)量?；旌衔锓?jǐn)?shù)f表示任意時(shí)刻在任意位置上的混合程度，即局部瞬時(shí)當(dāng)量比。f也是守恒標(biāo)量，其瞬態(tài)守恒方程是:三不 ；Vjf = .t rxj:x濟(jì) Dpcxj J(2.10)任何其它守恒標(biāo)量（不包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由于其守恒方程中有反應(yīng)源項(xiàng)，因此它不 是恒量），可以表示為：(2.11)-f1-f s式中，*p、Q分別為一次流和二次流中的關(guān)于 f的函數(shù)Mf）。由于在一般的反應(yīng)中任何元素既不可能產(chǎn)生也不可能消失

35、，因而元素 k的局部瞬態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)“ bk”也是一個(gè)守恒標(biāo)量。當(dāng)元素的擴(kuò)散系數(shù)都相等時(shí)，可有:(2.12)對(duì)于無(wú)輻射及無(wú)導(dǎo)熱損失的絕熱系統(tǒng)， 氣體始也是守恒標(biāo)量，在導(dǎo)熱系數(shù)和元素 擴(kuò)散系數(shù)相等時(shí)，可有：(2.13)h = fhp 1 - f hs引入g,定義為g =Y2,其中Y =m1n/"!，丫、Y2和Y3分別表示燃料、氧氣和燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由此，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)需求解時(shí)均方程組（即 k- -f g方程組）：二-M = 0一 t 二Xj4( 廣上)=£'%曳'+&ctcXjdXcXj j-(Pk)+ (Pvjk) = +GkPectCXjCXj Ok

36、CXj 7三(Pe)+二(PVj 君)=二七三 +；9GkCzPs):t;X二 f ；Vj f =?Pg）+工（Ng工十71%（互）2 -Cg2%E/k產(chǎn) 區(qū)j%3迷（2.14對(duì)于在0與1之間隨時(shí)間脈動(dòng)的隨機(jī)混合物分?jǐn)?shù) “ f ”，它在" f ”到“ f +M 區(qū)間的出現(xiàn)概率可為p（f）df ,其中p（f）稱(chēng)為概率密度分布函數(shù)，則有：.p(f)df(2.(15)且f的時(shí)均值和脈動(dòng)均方值應(yīng)由下式確定:=.fp(f)df(2.(16)12=f2-f1=j1f2p(f)df-(f)(2.(17)通常選用B函數(shù)作為其概率密度函數(shù)。當(dāng)0 < f <1時(shí)，B 概率密度函數(shù)可以寫(xiě)為:p

37、(f ,Xj)fa(1 f)b- 0f"(1- f)b,df(2.18)式中，a和b分別表小為:a=f»二Jf - f) 一b = (1.f)jy 一1(f -f)2(2.19)(2.20)從已獲得的f與g以及假設(shè)的B概率密度函數(shù)，可以找到每個(gè)當(dāng)?shù)匚恢蒙系腜DF。若對(duì)任何標(biāo)量小，*f)函數(shù)是已知的，則可得到 小的時(shí)均值：%=hp(f)df%=為務(wù) + % %+工(lp(f)df(2.(21)(2.(22)式中，0cp和0s是p(f)在f=1和f 二0時(shí)的值，X 4分別是一次流和二次流中的小值。由局部瞬時(shí)平衡的概念，能夠找到瞬時(shí)溫度、密度及組分濃度隨始和元素組分而變化的函數(shù)關(guān)

38、系:T =T bk,h：=P bk,hYs =Ys bk,h(2.23)使用化學(xué)平衡計(jì)算可以求得上述函數(shù)關(guān)系。對(duì)于絕熱體系，始與元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅 僅是混合物分?jǐn)?shù)的函數(shù)，即：bk =bk(f) h =h(f)(2.24)因此有:T =T(f)p = p(f)Ys=Ys(f)(2.25)質(zhì)量分?jǐn)?shù)丁（口,T =T f,hi P： Pf,hYs =Ys f,h時(shí)均值*，丫，應(yīng)決定于:1"：=p = s，0 p f,hdfdh(2.(26)l =1(2.(27)2.1.4輻射模型輻射傳遞方程的積分形式為：i，匕=i . 0 exp -k .： I，k” , expL k, 一/ dk:(2.(2

39、8)式中，右邊第一項(xiàng)表示入射輻射在經(jīng)歷k入厚度后衰減的強(qiáng)度，第二項(xiàng)表示在s方向所有其它的沿傳播方向上的體元的發(fā)射及對(duì)i人的貢獻(xiàn)。2.1.5微分方程組的通用形式通過(guò)運(yùn)用質(zhì)量守恒、能量平衡、動(dòng)量平衡和組分平衡的基本規(guī)律分析流體流動(dòng)、 傳熱傳質(zhì)和燃燒過(guò)程，以及對(duì)湍流輸運(yùn)、湍流燃燒、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、輻射換熱等分過(guò)程的模擬，建立了控制反應(yīng)流過(guò)程的基本方程組。 該方程組是封閉的, （對(duì)非定常問(wèn)題）、邊界條件，便構(gòu)成了數(shù)學(xué)上的定解問(wèn)題。加上合理的初始反應(yīng)流基本方程可以寫(xiě)成下面的通用形式:.t div My.grad= S(2.(29)對(duì)于這種情況，可以直接使用 p（f）獲得時(shí)均溫度和時(shí)均氣體密度以及時(shí)均組分Kf

40、）和工（f）。對(duì)非絕熱系統(tǒng)需求解能量方程找出始 h ,這時(shí)有:源方程可視為由式中，小為變量，口和既分別表示對(duì)應(yīng)于小的交換系數(shù)和源項(xiàng)。四項(xiàng)組成，它們依次稱(chēng)為瞬變項(xiàng)（或時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)）、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)本課題即是運(yùn)用上述通用方程于某型發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)形燃燒室，求出燃燒室內(nèi)的流 場(chǎng)、溫度場(chǎng)。2.2數(shù)值計(jì)算方法對(duì)于湍流兩相燃燒, 式和隱式方案。通常采用有限差分中的控制容積法、一階或高階迎風(fēng)差分格在有限差分法中，連續(xù)的流動(dòng)區(qū)間被離散化。也就是說(shuō)，因變量被看成只存在于 稱(chēng)之為網(wǎng)格點(diǎn)的離散位置處。S.V.Patankar和V.B.Spalding的“控制容積法”得到廣 泛應(yīng)用?？刂迫莘e法通過(guò)對(duì)每一個(gè)控制體的控制方

41、程進(jìn)行積分，生成離散方程。即：v dA ：.J 4 dA S dV中、中(2.30)式中，力為輸運(yùn)函數(shù)；p是密度；v是速度矢量；A是表面積矢量；o是4的交換系數(shù)；巾是小的梯度;s4是每一個(gè)單元體中小的源項(xiàng)。對(duì)上式進(jìn)行離散，得N faces- N faces一 fVf Af 八：G )n Af SVff(2.31)式中，N face,是控制體所屬單元的面數(shù)；Pfvf .Af是對(duì)流通過(guò)面f的質(zhì)量通量；Af是面f的面積；(V)n是面f的標(biāo)準(zhǔn)尺度；V是體積。對(duì)二階迎風(fēng)差分法面f的值的計(jì)算表達(dá)式為:(2.32)式中,小是單元中心值；是上游單元的梯度；§是上游單元面質(zhì)心到當(dāng)前面質(zhì)心的位移矢量。2

42、.2.1 三維氣相燃燒流場(chǎng)的離散方程(1)三維氣相流場(chǎng)通用方程的離散方程下述方程為三維氣相流場(chǎng)通用方程的離散方程:沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)17ap p =aE e ' aw w ' aN n - as s ' aF f ' aB b b式中：b=(Sc +S$)，V +aP*PaP = PpAV/Atap aE - aw - aN - as ' aF - aB - aP - (Sp - SPd - Smp) Vai =DjA(Pj)-Fj,0l其中當(dāng) i 依次為 E、W、N、S、F、B 時(shí)，j 為 e、w、n、s、f、bDe('x)e&#

43、39;"W(x)nDs-s As;Df- f Af(r、Of;Db(r、 u)bFi= (：»)i,PiFiD式中i依次為E、W、N、S、F、BA(|P|)是差分格式函數(shù)。對(duì)迎風(fēng)法，A(p)=1,其他法有相應(yīng)的值。(2)動(dòng)量方程的離散方程u * L u * uaeUeam b(Pp - Pe)Av * 一 v * vanVn = ' aIVi b (Pp - Pn)Aw * w * waf Wf = ai wi b (pp Pf ) Af(I =E,W,N,S,F,B)(3)壓力修正方程''''. '.'.apP p

44、= aE Pe aw Pw aN Pn HsPs aF f aB b b(2.(33)(2.(34)(2.(35)(2.(36)(2.(37)(2.(38)(2.(39)(2.(40)(2.(41)(2.(42)(2.(43)(2.(44)沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）37式中:(2.45)Ajai =(：嘰& =aj(2.46)其中當(dāng) i 依次為 E、W、N、S、F、B 時(shí)，j 為 e、w、n、s、f、bap =aE . aW . aN . aS . aF . aB(：0 - ：p)W(2.47)b_- (：u A)w -(：u A)e ( VA)s -(VA)n:t(:w A)b

45、 - (二w A)f Spm”2.2.2離散化方程的求解(1)邊界條件的設(shè)定在對(duì)離散方程組進(jìn)行計(jì)算之前，應(yīng)給定所求問(wèn)題的邊界條件。在本研究中，方程離散及網(wǎng)格劃分都采用了圓柱坐標(biāo)，主要遇到四種邊界條件：1)入口邊界條件，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或設(shè)計(jì)要求，解算出燃燒室在不同工作狀態(tài)下 入射的空氣和燃油的各項(xiàng)參數(shù)，如壓力、流量和成分等；2)出口邊界條件，主要針對(duì)燃燒過(guò)程中可能產(chǎn)生的回流的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定。在正 常運(yùn)行條件下，此條件是不必要的，但在解算過(guò)程中由于初始條件設(shè)定偏差過(guò)大， 在 收斂之前可能會(huì)出現(xiàn)回流；3)周期性邊界條件，因?yàn)樵撊紵覟榄h(huán)形，故可采用此項(xiàng)設(shè)定；4)固體壁面，主要針對(duì)燃燒室壁面。(2)迭代的

46、初始條件本研究中，將根據(jù)各個(gè)因變量的邊界值來(lái)確定迭代初始場(chǎng)， 對(duì)于速度，還應(yīng)用連 續(xù)性方程進(jìn)行流量的連續(xù)性修正。 這樣的迭代初始條件收斂速度快，防止迭代過(guò)程發(fā) 散優(yōu)于初始條件置為零的方法。(3)收斂的判定當(dāng)變量的值在兩次迭代過(guò)程中不再改變時(shí)，就認(rèn)為迭代已經(jīng)收斂了。但在實(shí)際計(jì)算時(shí)，這樣判定是極不經(jīng)濟(jì)的般的，當(dāng)某種收斂準(zhǔn)則得到滿(mǎn)足時(shí)，就可以終止迭代。合適的收斂準(zhǔn)則與問(wèn)題的性質(zhì)及計(jì)算的對(duì)象有關(guān)。通常，人們采用所有變量在網(wǎng)格點(diǎn)處的值的相對(duì)變化（即兩次迭代的值之差除以新值或舊值）來(lái)構(gòu)成收斂準(zhǔn)則。（4）計(jì)算求解所有燃燒室的流動(dòng)都被看成為低 M數(shù)的不可壓流動(dòng)，壓力以梯度的形式出現(xiàn)在 動(dòng)量方程的源項(xiàng)中。目前所

47、有燃燒室的計(jì)算都采用壓力校正法，即是改進(jìn)的SIMPLE方法。SIMPLE 算法（semi-implicit method for pressure-linked equations求解壓力耦合 方程的半隱式法）是求解速度和壓力耦合的有效方法。3軟件選擇與模型建立3.1 軟件的選擇3.1.1 FLUENT 軟件FLUENT是專(zhuān)用的CFD軟件，用來(lái)模擬從不可壓流到中等程度可壓流乃至高度 可壓流范圍內(nèi)的復(fù)雜流場(chǎng)。FLUENT解算器采用完全的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和控制體積法， 采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于求解精度 的自適應(yīng)網(wǎng)格及成熟的物理模型，使得用戶(hù)能夠精確地模擬無(wú)粘流

48、、層流、湍流、化 學(xué)反應(yīng)、多相流等低速不可壓流動(dòng)和跨音速流動(dòng)，還可以模擬壓縮性強(qiáng)的超音速等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。因此本論文選用 FLUENT軟件作為計(jì)算軟件。3.1.2 GAMBIT 軟件為了在計(jì)算過(guò)程中能得到較高精度的解，需要使模型盡可能接近實(shí)體的真實(shí)形 狀，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)完全的相似是難以實(shí)現(xiàn)的， 但盡可能的近似 還是必要的。在綜合考慮了模型復(fù)雜性和網(wǎng)格生成方式等因素，而且為了和計(jì)算軟件FLUENT更好的結(jié)合應(yīng)用，本論題選擇 GAMBIT作為燃燒室模型建立工具。GAMBIT是面向CFD的幾何建模和網(wǎng)格生成軟件，是目前CFD分析中最好的前 置處理器，它包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法

49、。既可以在 GAMBIT內(nèi)直接建立 點(diǎn)、線(xiàn)、面、體的幾何模型，也可以從PRO/E、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、 ANSYS、PATRAN等主流的CAD/CAE系統(tǒng)導(dǎo)入幾何和網(wǎng)格。 GAMBIT 與CAD軟 件的直接接口和功能強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力使用戶(hù)可以方便地建立復(fù)雜幾何模型。 借助 功能靈活，完全集成和易于操作的界面， GAMBIT可以顯著減少CFD應(yīng)用中的前置 處理時(shí)間。復(fù)雜的模型可直接采用 GAMBIT固有幾何模塊生成，或由 CAD/CAE構(gòu) 型系統(tǒng)輸入。GAMBIT可以生成FLUENT、FIDAP、POLYFLOW等求解器所需要的 網(wǎng)格。而且在計(jì)算過(guò)程中不會(huì)因

50、為模型節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題導(dǎo)致模型仿真的失誤3.2 燃燒模型的建立及網(wǎng)格劃分該型燃燒室為環(huán)形，具火焰筒外環(huán)有15道冷卻氣膜，內(nèi)環(huán)有16道氣膜?；鹧嫱?前端沿周向均勻分布28個(gè)旋流器，每個(gè)旋流器中心有一個(gè)雙油路離心噴嘴；火焰筒 內(nèi)壁上周向均勻分布主燃孔、摻混孔和冷卻孔，具體為：火焰筒外環(huán)壁上一排主燃孔共 56個(gè)；兩排摻混孔，其中一排包括 5個(gè)直徑較大 的孔和23個(gè)較小的孔，且軸向位置有所差別；另一排摻混孔28個(gè)?；鹧嫱矁?nèi)環(huán)壁上 一排主燃孔共42個(gè)；兩排摻混孔，每排28個(gè)。內(nèi)、外環(huán)壁上氣膜冷卻孔各排不一， 同一排孔的直徑有所不同，但數(shù)量均為 28的倍數(shù)?；鹧嫱舱w采用大量的規(guī)則曲面和曲線(xiàn)分割組合形成的非規(guī)則

51、曲面，使其與實(shí)際燃燒室盡可能的接近。對(duì)冷卻孔處理時(shí)，考慮到其對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響不占主要作用， 在保證冷卻空氣的流量和流速需要的同時(shí)， 用環(huán)帶的方式取代了冷卻孔。為了取得滿(mǎn) 意的模擬結(jié)果，考慮到計(jì)算的復(fù)雜性及結(jié)構(gòu)相似性和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，截取了帶有 三個(gè)頭部的火焰筒扇形段，利用 GAMBIT軟件建立仿真模型。圖3.1示出了模型燃 燒室的整體形狀。圖3.2示出了該火焰筒扇形段劃分的網(wǎng)格。 本課題仿真的是某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴 最大工作狀態(tài)。該型燃燒室為環(huán)形，共有 28頭部，每一個(gè)頭部都安裝有一個(gè)燃油噴 嘴。為了取得滿(mǎn)意的模擬結(jié)果，同時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，截取了帶有三個(gè)頭部 的火焰筒扇形段，重點(diǎn)研究中

52、間頭部所在的區(qū)域。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，利用 GAMBIT 軟件建立仿真模型。幾何建模完成后，在 Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng) 格，作為計(jì)算流場(chǎng)的網(wǎng)格總數(shù)為125462.圖3.1某型火焰筒三頭部扇形段圖3.2火焰筒扇形段劃分的網(wǎng)格3.3 邊界條件在Fluent中應(yīng)用SIMPLE算法求解離散方程，邊界條件從以下四個(gè)方面論述。1）入口邊界條件：給定燃料噴嘴進(jìn)口處的壓力、燃?xì)赓|(zhì)量流量、燃?xì)膺M(jìn)口溫度以 及主燃孔，摻混孔及補(bǔ)燃孔的空氣質(zhì)量流量，進(jìn)口溫度2）出口邊界條件：出口邊界為自由出流邊界，除滿(mǎn)足流量連續(xù)的條件外沒(méi)有附加 任何限制條件。3）壁面條件：燃燒室壁面應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，為無(wú)滑移、不滲透

53、的固體壁面，在 壁面處，徑向和法向速度為零，湍流參數(shù)也為零。4）周向邊界條件： 采用周期性條件處理。4模擬結(jié)果和分析4.1 引言最大狀態(tài)指的是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大推力的工作狀態(tài)，這時(shí)渦輪前燃?xì)鉁囟?、轉(zhuǎn)速、 空氣流量、各部件的氣動(dòng)負(fù)荷和熱負(fù)荷都達(dá)到最大值， 等于或接近于相應(yīng)的最大允許 值，最大狀態(tài)用于起飛、作戰(zhàn)、爬升以及達(dá)到最大馬赫數(shù)或升限的飛行表4.1表4.4列出最大工作狀態(tài)下燃燒室各參數(shù)作為計(jì)算的原始參數(shù)表4.1內(nèi)/外壁環(huán)帶氣膜空氣流量外壁環(huán)帶氣膜序號(hào)kg/s序號(hào)kg/s10.1210.1220.1220.1230.0830.0840.0840.0850.0850.0860.0860.0870.0

54、670.0880.0680.0890.0690.08100.06100.08110.06110.08120.06120.08130.06130.1140.06140.1150.08150.1160.1160.1170.1180.1表4.2內(nèi)/外壁主燃孔氣膜空氣流量序號(hào)各主燃孔空氣流量 kg/s外壁主燃孔氣膜 序號(hào)各主燃孔空氣流量 kg/s10.1110.0920.1420.1230.1430.1240.1440.1250.1150.1260.1270.09表4.3內(nèi)/外壁 摻混孔/補(bǔ)燃孔 氣膜空氣流量各摻混孔空氣流量?jī)?nèi)壁補(bǔ)燃孔各補(bǔ)燃孔空氣流量序號(hào)kg/s序號(hào)kg/s10.0610.0620.0

55、520.0530.0630.06外壁摻混孔各摻混孔空氣流量外壁補(bǔ)燃孔各補(bǔ)燃孔空氣流量1 丁 Pkg/s1 丁 Pkg/s10.0610.0620.0620.0630.0630.06表4.4最大狀態(tài)燃燒室工作參數(shù)Ga(kg/S)Gf(kg/s)丁2（。P2(MPa)70.01.6565777.82.0013254.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析燃燒室內(nèi)溫度的變化以及出口截面處溫度的變化是燃燒室乃至整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī) 的主要性能指標(biāo)之一，燃燒室內(nèi)的溫度及其分布變化將直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)其他性能參數(shù)變化，因此，燃燒室的溫度場(chǎng)及出口溫度分布成為計(jì)算研究的重要內(nèi)容。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4.1至圖4.5。3值項(xiàng) 2 WHJ3 3+