北航王方副教授：双旋流燃烧室两相湍流燃烧模拟讲解

导读：9月11日20时，2024航空航天设计仿真第一期线上报告会将邀请北京航空航天大学副教授王方老师做《航空发动机燃烧室数值仿真的关键技术》讲座，感兴趣的朋友可以提前报名，仿真秀官网与APP同步直播，且支持反复回看。本文节选自王方,甘甜,王煜栋和金捷等作者发布在航空动力学报《航空发动机燃烧室数字孪生体系关键技术》关于双旋流燃烧室两相湍流燃烧模拟。

一、双旋流燃烧室两相湍流燃烧模拟讲解

旋流器是燃气轮机燃烧室中最为关键的结构之一，本文选取 Meier 等[21] 设计的双旋流燃烧室作为模拟对象，如图 9 所示。

应用 AECSC-IBM 模拟双旋流燃烧室中的湍流燃烧现象时，空气从内外两个进口以的流量比[4] 进入内外旋流器。以349万网格数的背景网格为基础，并在背景网格中利用曲线坐标系对旋流器附近局部加密，扫描燃烧室几何模型并生成 IBM 网格标记。计算双旋流燃烧室算例时采用的几何模型、背景网格与扫描得到的 IBM 网格标记如图 10 所示。

对于冷态工况，进口空气压强为 0.4 MPa，温度为 295 K，进口总流量为 82 g/s。采用 LES 结合曲线坐标系 IBM，求解得到冷态流场，其三维流线图与中间截面时均轴向速度（）云图如图 11所示，在时均轴向速度云图中可以看到回流区（黑色等值线处,表示回流区的边界），内回流区是由于旋流器存在而产生的，由于突扩作用在靠近燃烧室壁面的边角处形成外回流区。

图 12、图 13 和图 14 分别为双旋流燃烧室旋流器出口后方时均轴向速度分布、切向速度分布：

和径向速度分布对比图， 分别代表时均速度的径向、切向、轴向分量。将 AECSC-IBM 的求解得到的速度分布（红色曲线）和 FLUENT 采用贴体结构网格的模拟结果[4]（蓝色曲线）以及实验数据（黑色圆点）对比，两软件模拟结果均与实验值接近。在最靠近旋流器出口位置（高度为 2 mm）存在两对轴向速度峰值，分别由内旋流器和外旋流器形成。由实验数据可知，靠近轴线的一对峰值相对更高。

FLUENT 模拟结果中远离轴线的峰值相对更强，而 AECSC-IBM 软件模拟的两个峰值与实验相符，表明 AECSC-IBM 能更准确地模拟双级旋流器出口附近的流场。

采用式（18）中的方法计算平均相对误差，以径向为例，表示径向速度分量的平均相对误差，表示该方向上计算得到的速度分量，表示实验得到的速度分量，表示实验测点个数，选取实验数据中最大的绝对值作为参考值。

得到双旋流燃烧室出口 3 种高度的截面上时均速度分布的平均相对误差如表 1 所示。

由速度分量对比图以及平均相对误差表可知，基于曲线坐标系 IBM 模拟得到的速度场与实验值接近，由表 1 得 AECSC-IBM 模拟结果的时均轴向、切向、径向速度平均误差分别为 15.7%、15.0%、23.8%，而 FLUENT 模拟结果相应的 3 种速度平均误差分别 14.1%、12.2%、18.9%，因此，由时均速度的误差与采用贴体网格的 AECSC 和FLUENT 模拟结果的误差相差不大。

双旋流燃烧室算例的冷态工况测试表明本文方法结合 LES 能够准确模拟复杂结构内湍流流动现象。在此基础上，应用本文方法结合 LES-TPDF 湍流燃烧模型对双旋流燃烧室的喷雾燃烧工况进行模拟。在该燃烧室热态实验中，采用航空煤油 Jet-A 作为燃料，燃料流量为，进口空气压强为，温度为，流量为 ，由于实验未提供喷雾液滴粒子详细数据，这里参考采用贴体网格模拟本算例时假定的粒子数据[4]，其中煤油液滴粒子的初速度为 ，温度为， Sauter 平 均 直 径 （Sauter  mean  diameter，SMD）为 15 µm。实验拍摄到的火焰结构如图 15所示，时均温度场实验照片和模拟结果分别如图 16 和图 17 所示。

温度云图可反映出湍流流动、液滴蒸发以及化学反应之间的相互作用。在瞬态温度云图中，旋流器出口附近，由于煤油液滴蒸发吸热，形成靠近燃油喷嘴的低温区。液滴蒸发后在回流区附近进行较强烈的燃烧反应，并在喷雾锥面后侧形成高温区。在时均温度云图中，由于液滴最初从喷嘴喷出时 SMD 较大，蒸发出气相煤油较少，燃烧反应放热较少，结合蒸发的吸热作用导致温度较低。之后液滴粒子在与湍流流动相互作用下破碎和蒸发，燃烧反应增强，在时均温度云图实验照片中可看到耳垂形的高温区。在模拟结果中，温度分布与实验照片相似，模拟中液滴蒸发较快，耳垂形高温区相比实验提前，更靠近旋流器出。

双旋流燃烧室的冷态流动模拟和两相湍流燃烧模拟表明，应用本文方法的AECSC-IBM 软件能够精确地模拟包含旋流器等复杂结构的燃烧室中的湍流流动及燃烧化学反应。

二、航发燃烧室数值模拟仿真应用的关键技术

航空发动机燃烧室的数值仿真是一个复杂而系统的过程，需要综合运用多个学科的知识和技术手段来确保仿真结果的准确性和可靠性。在航空发动机燃烧室的数值仿真中，确实需要综合运用流体力学、化学反应动力学、传热学和数值分析等多个学科的知识。这些技术共同构成了仿真过程的核心，确保了模拟结果的准确性和可靠性。

9月11日20时，2024航空航天设计仿真第一期线上报告会将邀请北京航空航天大学副教授王方老师做《航空发动机燃烧室数字孪生体系关键技术》讲座，感兴趣的朋友可以提前报名，收藏贺分享感兴趣的朋友，仿真秀官网与APP同步直播，且支持反复回看。

以下是直播安排：

2024航空航天设计仿真（一）：航发燃烧室数值模拟仿真应用的关键技术-仿真秀直播

三、2024航空航天设计仿真先进技术交流

9月11日-10月31日，由仿真秀主办的2024航空航天设计仿真技术交流月将围绕“航发燃烧室仿真、飞行器流固耦合仿真、航空产品的热学设计与仿真、无人机结构强度疲劳分析、反射器结构优化、航空橡胶轮胎疲劳失效的热力耦合分析、航空部件的塑性加工分析、载人航天热分析和航空复合材料强度分析等主题组织九场线上讲座。旨在帮助学习者掌握设计仿真关键技术和解决企业（科研机构）产品研发中遇到技术难点和痛点。

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