沈阳航空航天大学毕业设计（论文）
1 绪论
1.1 引言
航空发动机被誉为飞机的“心脏”，而燃烧室是发动机的“心脏”，它同压气机、涡轮一起构成航空推进系统的三大核心部件。它直接决定了发动机的推力以及排放物污染成分含量，发动机的可靠性、经济性和寿命在很大程度上也取决于燃烧室的可靠性和有效程度。燃烧室用来将燃油中的化学能转变为热能，将压气机增压后的高压空气加热到涡轮前允许温度，以便进入涡轮和排气装置内膨胀做功。本文的目的是对某型发动机最大状态燃烧室流场温度场进行数值模拟，得出燃烧室典型截面的流场、温度场，为今后燃烧室的研制和发展提供有价值的理论依据。
航空发动机燃烧室几何结构复杂，其主要构件有：燃烧室机匣、扩压器、旋流器、火焰筒、燃油喷嘴、点火器等。发动机工作时，来自压气机的高速高压的气流通过扩压器降低速度，这样有利于组织燃烧，减小压力损失。经扩压器降低速度后的气流分流成两部分：一部分经火焰筒头部的旋流器及其他进气孔进入主燃区，统称为第一股空气，另一部分流向火焰筒与机匣之间的通道，并从主燃孔、冷却孔、补燃孔及掺混孔进入火焰筒，统称为第二股空气。旋流器及主燃孔进气主要是参与主燃区的燃烧，冷却孔及掺混孔的空气作为冷却空气和掺混用气，进入掺混区与高温燃烧产物掺混，把排气温度降到涡轮叶片能够承受的程度，并获得一定的温度场分布。
燃烧室通常有圆筒形、分管型、环管型和环形之分。本文研究的是环形燃烧室的数值模拟，环形燃烧室的结构特点：燃烧室的内、外壳体构成环形气流通道，通道内安装的是一个由内外壁构成的环形火焰筒，因而燃烧是在环形的燃烧区和掺混区内进行。环形燃烧室是航空涡轮发动机燃烧室的理想形式。从上个世纪六十年代以后，环形燃烧室的布局已经成为了主流，在新研发的航空发动机上，自动的选择环形燃烧室。例如，GE的CF6,CFM56，GE90,F110等，P&W的JT9D,F100，F119等，RR的RB211,Trent等，以及我国2005年底定型的太行发动机。环形燃烧室的燃烧好，总压损失小，燃烧室出口流畅及温度场分布均匀，燃烧室结构简单，重量轻、耐用性好，火焰筒表面积与容积比较小，因而需要的冷却空气量比较少；燃烧室的轴向尺寸短，
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某型航空发动机燃烧室性能数值模拟
有利于减小转子的跨度和降低发动机的总体重量。但由于大型发动机环形燃烧室的研制需要大型的实验设备，使得这种形式的燃烧室在大型发动机上应用最晚。
燃烧室的工作条件十分恶劣。燃烧过程是在高速气流（100~50m/s）和贫油混合气中进行。燃烧室的零件是在高温、高负荷下工作，承受着由气体力、惯性力产生的静载荷和振动载荷，燃烧室壳体是发动机主要承力件。燃烧室的零组件主要是薄壁件，工作中时常出现翘曲、变形、裂纹、掉块、积炭、过热、烧穿等故障。为此，燃烧室的设计应满足以下主要要求：
（1）在飞行包线内，在发动机一切正常工作状态下，燃烧室应保证混合气稳定而安全地燃烧，具有高的完全燃烧系数和低的压力损失系数；
（2）燃气的火舌要短，出口气流总温不但受到涡轮叶片材料耐热性能的限制，而且出口的燃气温度场沿圆周要均匀，沿叶高应保证按涡轮要求的规律分布；
（3）燃烧室的零组件及其连接处应具有足够的强度和刚性，良好的冷却和可靠的热补偿；
（4）燃烧室的外壳尺寸和重量要小，有着高的容热强度；
（5）燃烧室的结构要简单，有良好的使用性能。在地面和在空中启动可靠，排气污染小，维护检查方便，使用期限长。
为确保燃烧室在任何工况下都能稳定而又经济地燃烧，在现有的燃烧室设计中，对气流流动过程的组织，几乎都采取了以下几方面措施：
（1）采用扩压器，使进入燃烧区的气流速度从压气机出口的120~180m/s降到30~50m/s，以减少气流的压力损失；
（2）采取气流“分流”的办法，以提高燃烧区的温度，并使冷却和掺混用气得到保证。这样，燃烧室就能在较大的总余气系数下工作，满足稳定燃烧和涡轮叶片温度限制两方面的需要；
（3）采用火焰稳定器，使在燃烧区内能够形成一个特殊的气流结构，为稳定火焰创造条件。广泛采用的旋流器就是一种典型结构。
1.2 航空发动机燃烧室的工作情况
航空发动机的燃料是液体燃料，燃料首先经过喷嘴雾化成很细的油滴，在喷嘴附
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近的燃烧空间中，形成一股由无数的油滴组成的中空的锥形燃料流，并且由于气流径向速度的作用，燃料流的中空锥体还会逐渐扩张。这样，大部分燃料正好集中在位于火焰筒外侧的新鲜空气中，有利于形成燃料与空气的可燃混合物。
当空气从火焰筒头部进入，燃料从喷嘴喷入后，空气与油雾迅速掺混，在火焰筒外侧形成可燃混合物，由放置在头部的点火器对其点燃。燃烧过程中，油滴首先受热蒸发，逐渐在油滴表面附近形成燃料蒸汽层。燃料蒸汽与空气混合，当燃料浓度在可燃范围内即发生燃烧。
燃烧主要在火焰筒头部发生，燃烧后的混气由于气流运动向下游移去，环腔内的空气经掺混孔和冷却孔进入火焰筒，与混气混合，降低混气温度，得到一定的出口温度场分布。
燃烧室工作时，火焰筒存在流体动力过程，燃油雾化、运动、蒸发、掺混过程，燃烧过程，传热过程以及冷、热气流掺混过程等，并且这些物理化学变化相互关联相互影响。气体的流动、燃油的喷射及液滴蒸发的快慢影响着燃气的掺混及浓度，而燃气的掺混、浓度等又与燃烧的进行有关。燃烧的发生使燃烧室内的温度、压力发生变化，从而又影响着气体的流动、液滴的蒸发速度等。燃烧室的数值计算包括多种物理化学变化的计算，由于各物理化学变化之间的相关性，使得燃烧室数值计算非常复杂，一个计算模型选用不当或考虑不周全就可能会导致计算结果的失真。
1.3 燃烧室的研究方法
由于发动机燃烧室的工作研究具有相当重要的现实意义，国内外很早就开展了对它的研究。归纳起来，研究方法可分为两种：
（1）试验法。由于燃烧室中的燃烧过程非常复杂，包括气体流动和掺混、燃油雾化蒸发和混合、化学反应、燃气的辐射和对流、传热传质等各种现象。完全掌握各种过程的机理是很困难的。因此在过去燃烧室设计中，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研究方法。例如：采用扇形段燃烧室试验器进行试验，装设光测系统。分别在各种工作状态下测量流场的分布情况；观测其燃烧的火焰颜色，根据经验，黄色火焰为富油燃烧，蓝色火焰为贫油燃烧，等等。这种研究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。早期的燃烧室研究都采用这种方法，目前还在沿用，归纳为试验－总结改进－再试验
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某型航空发动机燃烧室性能数值模拟
－再改进的循环前进，对燃烧室的设计起到重要作用[5-7]。
（2）数值模拟法。当前，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的设计计算方法。这种新的设计方法的特点是以计算流体力学（CFD）、数值传热学（NHT）、计算燃烧学（CCD）为核心，把燃烧室的几何形状、结构尺寸和进出口状态作为定解条件，通过计算机求解控制微分方程组，便可以计算出燃烧室内部流体速度、温度和压力等参数的分布及其变化，而后经过试验验证，证明方法的可行性和精度，再将改进的数值模拟结果用于指导设计与试验用[1，4，20，40]。它的主要功能如下：模拟燃烧过程，如点火，熄火，火焰稳定，燃烧室中的气流结均，浓度场 ，温度场，燃油喷注，油滴运动、蒸发、燃烧等物理化学过程;预估不同条件下燃烧室的性能，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;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;指导燃烧试验，减少试验次数，进行燃烧故障的模拟与分析，缩短燃烧室研制周期，减少试验费用;对燃烧室复杂的物理化学现象提供更深刻的认识，提出新的设计概念。
1.4 燃烧室数值模拟的现状和发展
1969年英国Gosman等人出版了《回流流动中热量与质量交换》一书，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和发展奠定了基础。1975~1978年美国Mongia等人为小发动机公司研制了先进的高温升回流燃烧室气动热力计算程序，这是可以进行实际燃烧室性能预估的第一代计算模拟软件。目前，随着燃烧理论模型的突破和算法的改进，FLUENT、CFX、PHOENICS、STAR—CD、CFDRC等软件通过不断的技术完善，都可以用来对燃烧室燃烧过程进行数值模拟。其中FLUENT软件的应用最为广泛，它在网格生成，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，是业界公认的最好的计算软件。
国内在20世纪80年代末开发了TTRRF（Three-dimensional Two-phase Recirculating Reacting Flows）三维两相回流反应程序。该程序采用笛卡儿直角坐标系或圆柱坐标系，用台阶近似曲壁，用堵块处理流场中障碍物，具有一定的处理复杂几
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