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计算燃烧动力学在航空发动机燃烧室设计中的应用 严传俊 西北工业大学，710072，西安 摘 要 本文对国内外计算燃烧动力学的研究现状与发展趋势进行了综述，介绍了课 题组近年来在计算燃烧动力学方面所做的工作和取得的成果。 1．计算燃烧动力学现状 近年来，由于航空发动机性能不断提高，对于燃烧室的要求也日益苛刻，现有的经验， 半经验设计方法已不能完全满足现代先进燃烧室的设计要求．加上现代燃烧室加工和试验费 用十分昂贵，迫切需要发展一种新型的设计计算方法。这种新型的设计方法的特点是以计算 室内气动热化学动力学过程及性能进行数值模拟。它的主要功能有以下几点：(1)模拟燃烧 过程，如点火，熄火，火焰稳定，燃烧室中气流结构，浓度场，温度场，燃油的喷射，雾化． 油珠的运动，蒸发，燃烧等物理化学过程；(2)预估不同工况下燃烧室气动热力性能，如总 压损失，燃烧效率．出口温度分布品质，壁温，贫油熄火特性．排气污染等： (3)用于燃烧室优化设计，在初步设计阶段用于方案选择，在技术设计阶段用于产品性能 评估与定型；(4)指导燃烧试验，减少试验次数，进行燃烧故障模拟与分析，缩短研制周期； (5)对燃烧室中复杂的物理化学现象提供更深刻的认识，导致新的设计概念。 计算燃烧动力学在近三十年来取得了迅猛的进展。1969年高斯曼(G0sman)等人出版 了。回流流动中热量与质量交换”一书[I】，公布了应用涡量流函数法求解燃烧室中湍流反 应流的计算方法和程序，为计算燃烧学的形成与发展奠定了基础。由于涡量流函数法只适用 于二维计算．1972年帕坦卡(Patankar)等人[2】发展了三维流动中热量，质量，动量交换的 计算方法，提出了所谓sIMPLE算法(即压力耦合半隐式算法)。从此出现了许多基于Sr～伊LE N1lmericaI Code HyperboIic，orElIipttc In坷即tionSyslem)大型通用计算机程序。它可以用来 模拟传热，流动．化学反应过程。近年来它的功能得到不断改进。在燃烧界应用比较广泛的 商业软件有nuem公司研制的FLUENT软件。该软件在明格生成．物理模型，数值方法， 前后置处理方面吸收了当代计算流体力学许多先进技术，如非结式网格，自适应网格，大涡 模拟．并行计算等。其它能用于燃烧过程数值模拟的商业软件尚有cFx，s1AR．cD，cFDRc 等。这些商业软件各有其特点，但它们的算法基本上是相似的。毫无疑问，这些商业软件在 一定程度上可以用来对燃烧室中气动热力化学过程进行数值模拟。由于燃烧过程的复杂性， 目前这些商业软件离开先进燃烧室的设计方法的要求尚有很大距离。从安全角度考虑，任何 商业软件都不可能提供先进燃烧室设计所必需的技术支持。这是为什么各大航空工业公司投 入巨大的人力，物力，财力开发自己的燃烧室设计软件的原因。美国蒙吉尔(Mongia)等 人[4】曾于1975年至1978年为小发动机公司研制了先进的高温升回流燃烧室气动熟力计算 程序。该程序由6个模块组成：(I)环腔流动模块。用于计算火焰筒的流量分配和压力损失， 为火焰筒内流场计算提供边界条件：(2)燃烧室性能模块，这是一个三维两相回流反应流数 值计算模块，它可以用来计算火焰筒内速度分布，浓度分布和温度分布，它还可以分析设计 参数的改变对于燃烧效率，出口温度分布，贫油熄火极限的影响；(3)火焰筒冷却模块，采 用二维边界层传热传质通用计算程序GEm皿X计算火焰筒任一子午面的壁温，但不能准确 分析主燃孔，掺混孔附近的壁温：(4)火焰筒转弯段混合模块，该模块采用GEmdI)(程序 计算回流燃烧室转弯段冷热气流混合速率及气流参数的分布：(5)排气污染模块．该模块采 用多步复杂化学反应模型计算燃烧室排放的一氧化碳，未燃油．氮的氧化物等11种组分； (6)燃油喷射模块，主要用于计算各类喷嘴所产生的油珠平均直径，尺寸分布，油珠运动 轨迹和蒸发率。这个设计软件可以说是用于实际燃烧室性能预估的第一代燃烧室气动热化学 计算软件。它的主要特点是采用了笛卡尔直角坐标系和圆柱坐标系．采用了比较简单的物理 模型，如b￡双方程湍流模型，旋涡破碎湍流燃烧模型，6通量热辐射模型，PsI两相流模 型等。尽管如此，它仍可以为燃烧室流场计算提供定性的结果。美国NAsA在热端部件技 术(HOsT)项目中对第一代燃烧室设计软件进行了评估，认为它对预估燃烧室气动热力性