航空发动机燃烧室数值仿真技术工程应用分析.pdfVIP

随着计算流体力学和燃烧仿真模型的迅速发展，以数值仿真为主的燃烧室设

计方法逐步取代以大量试验为主的常规设计方法成为可能，并为以最短的周期和

最少的费用设计出高水平的航空发动机燃烧室开辟了新的技术途径。

主燃烧室和加力燃烧室（如图1、图2所示）是航空发动机的重要部件，其

燃烧性能的优劣将直接影响航空发动机的整机性能、动力输出和污染排放。燃烧

室的工程研发具有学科集成度高、技术难度大、研发周期长、研制风险高等特点，

其研发过程通常需要依赖大量的物理试验。出于降低研制成本、缩短研制周期和

减少对物理试验依赖的初衷，20世纪70年代以来，燃烧数值仿真技术被引入到

航空发动机的工程设计和型号优化过程中，使得燃烧室设计由基于物理样机的试

验设计方法逐步转向基于燃烧虚拟仿真的设计方法。尤其是近年来，随着现代数

学方法、计算机技术和燃烧仿真理论的迅速发展，燃烧数值仿真相关的物理、化

学模型不断完善，使得数值仿真技术在航空发动机燃烧室工程研制过程中的作用

日益突出，为燃烧室工程研制提供了新的技术手段。

图1典型主燃烧室示意

图2加力燃烧室示意

燃烧室数值仿真工程应用的背景

燃烧室设计的关键问题

燃烧室作为航空发动机动力的主要来源，其研制的过程受到了航空发动机研

制机构的重点关注，通常在其工程设计过程中需要关注如下技术问题。

一是燃烧室气动热力性能评估与优化（如图3所示）。主要关注主燃烧室和

加力燃烧室的总压损失、燃烧效率、出口温度等气动热力性能参数，相关参数的

评估和优化对航空发动机的综合性能有重要影响，必须在设计期间进行全面评估

和优化。

图3主燃烧室/加力燃烧室综合燃烧性能评估

二是燃烧室点火、熄火与动态燃烧稳定性预测。在工程设计过程中燃烧室的

点火、熄火特性和动态燃烧稳定性，对发动机的使用包线、加速性和可靠性影响

很大，工程分析与预测的方法并不完善，技术难度高，在设计中必须重点关注。

三是燃烧室构件装配与变形协调仿真及冷却、换热分析和强度寿命评估。燃

烧室构件冷态装配与热态变形协调，以及因高温引起的刚度、强度和寿命问题突

出。因此在设计中，需要掌握构件冷态装配与热态变形协调情况、冷却与换热特

性和强度寿命状况，重点关注构件冷态装配配合与热态变形协调仿真，以及温度

分析和强度寿命评估，改进和优化构件的温度和载荷分布，提升其工作的可靠性。

四是燃烧室详细燃烧过程研究。随着航空发动机设计技术的发展，燃烧室部

件内部燃烧过程的详细分析将对燃烧室部件设计提供重要的技术参考，尤其是航

空发动机“正向设计”需求的提出。以往单纯的对燃烧室宏观性能参数的获取与分

析，已不能满足先进燃烧室的设计需要，燃烧过程的精细化研究成为燃烧室工程

设计所关注的新的发展方向。

数值仿真对燃烧室设计的作用

针对上述燃烧室工程设计所关注的重要问题，常规的设计方法是在燃烧室设

计中采用燃烧室设计结合工程燃烧室试验开展研制。而随着计算流体力学和计算

燃烧学的迅速发展，以及燃烧室仿真技术在工程应用中的逐步深入，使得以基于

计算机数值模拟、燃烧诊断为主的全新燃烧室设计方法取代以大量试验为主的常

规设计方法成为可能。例如，在燃烧室方案设计中应用数值仿真手段，可为方案

筛选、性能评估与方案优化提供必要的技术支撑；在燃烧室的详细设计中，通过

燃烧室部件气动参数与燃烧性能的计算分析，可以模拟燃烧的全过程,增强设计

人员对内部燃油雾化、两相流动与火焰传播等物理化学过程规律的理解，为设计

中多参数的优化问题和关键参数的选取提供技术参考；而在工程验证阶段，通过

开展燃烧室的虚拟试验和遍历性仿真，将有效发挥其“试验前预测”的能力，大大

减少试验工作量，提高燃烧室研发的质量，节约经费，有效降低研制的风险和成

本，缩短研制周期。

燃烧室数值仿真技术的工程应用现状

在航空发动机燃烧室研制过程中，燃烧数值仿真技术的工程应用可有效缩短

燃烧室的研制周期，减少试验的数量和设计的风险，因而备受重视。各大航空发

动机公司一直以来高度关注燃烧室仿真技术及软件的开发与工程应用（如图4

所示）。各研发机构除采用ANSYS、Fluent、CFX、Star-CCM+等商用软件开展燃

烧室性能评估和方案设计外，针对工程应用需求，基于工程试验数据还自主开发

了专用的仿真软件，推动燃烧室数值仿