燃烧丨一文了解航空发动机/燃气轮机燃烧室内部燃烧过程的数值模拟

燃气轮机燃烧室内部燃烧过程包含湍流、燃油雾化蒸发和混合、化学反应、燃气的辐射和对流、传热传质等多种现象，并且这些现象中，有的是相互耦合、相互作用的。

早期，燃烧室的设计主要依靠大量的试验和经验积累，并在此基础上发展了一维半经验和半分析的燃烧室设计方法。这种计算方法是适用和可靠的，但是需要较长的研制时间、较多的研制经费。

随着计算机、并行计算、计算流体力学（CFD）及计算燃烧学（CCD）等不断发展进步，使得模拟燃气轮机燃烧室内部燃烧过程成为可能。即便在现有条件下，通过测量的方法，也难以获得燃气轮机燃烧室内部的流动、温度、组分等详细分布的情况，数值模拟可以部分弥补上述不足。

虽然燃烧室内部流动非常复杂且伴随着化学反应、精确模拟非常困难，但仍然希望数值模拟能够部分替代试验，通过燃烧室的数值模拟，为燃烧室设计提供参考依据。

目前国内燃烧室设计已经达到经验分析、试验验证和计算分析相结合的程度，并向着计算分析为主，试验验证为辅的方向发展。

现在，计算已成为燃烧室设计不可缺少的一部分。在整个燃烧室研发的过程中，通过试验和CFD模拟相结合的方式，首先采用数值模拟对初步设计方案进行筛选、分析，发现存在的问题并提出相应的改进措施进行优化，然后再进行试验，从而达到节约研制经费、缩短研制周期之目的。

国外多家著名的燃气轮机公司在研发过程中非常重视燃烧过程模拟并且发展了他们自己的模拟工具。近二十年来，用于流动、传热、燃烧数值模拟的商用软件也有了巨大的发展，比如PHOENICS，CFX，FLUENT，STAR-CD，FLOW-3D等。这些商用CFD软件的出现，更加快速、广泛的推进了燃烧室研发人员通过商用软件来进行燃烧室燃烧过程数值模拟，加速燃烧室的研发过程和节约研发经费。

1）燃烧反应过程中化学组分多；

2）模拟对象燃烧过程中长度尺度和时间尺度跨度范围大；

3）化学反应的高度非线性和温度、反应物浓度的湍流脉动是耦合在一起的。

以碳氢燃料燃烧来说，反应中涉及的化学组分就多达上千种，为了在实际研发过程中模拟燃烧过程，必须有适当的简化机理来满足现有计算条件且尽可能准确的捕捉燃烧过程。一般地，燃烧室的特征长度在几百毫米左右，但燃烧过程中最小的湍流特征长度只有几十微米，相差千倍以上，为了精确模拟该过程，即使采用直接数值模拟（DNS）也是相当困难的，因为计算量惊人。

在实际燃烧室研发过程中，多采用大涡模拟（LES）或雷诺平均（RANS）的方式来解决以减少计算量，采用RANS的方式就不可避免的需要采用湍流模型，大涡模拟中也需采用亚格子模型，上述这些湍流模型对于燃烧过程中流动结构的发展、演化有重要的影响。

至于化学反应与组分浓度、温度的湍流扰动的相互作用，需要采用燃烧模型来解决。根据燃烧过程中燃料和氧化剂的不同进入方式可以分为预混燃烧、非预混燃烧、部分预混燃烧，可以根据不同的燃烧方式选择合适的燃烧模型。

也可根据化学反应速度分为快速反应的模型和有限反应速度的模型，若只考虑流场和温度场，可以选用快速反应的模型，若还需考虑组分浓度分布，则应选择有限反应速度的模型。如果燃料形态是液体，还需考虑液体的喷雾及蒸发过程。

此外，燃烧室燃烧过程中，产生的热有一部分通过辐射的方式传递给火焰筒壁面，准确预测壁面温度选用适当的辐射模型很重要。

上述简要介绍了燃烧室数值模拟过程中相关的化学反应机理、湍流模型、燃烧模型、辐射模型。一般来说，上述模型都是通过计算域内的网格为基础单元进行离散求解获得相应的解，可以说网格是数值模拟的基础，对模拟对象进行良好的网格划分既基础、又重要。适当计算域的选择和准确边界条件的给定，也是燃烧过程准确模拟的必要因素。