CN115203983A - 一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机和燃气轮机仿真领域，公开了一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，通过建立基于上游压气机末级导叶、主燃烧室部件及下游高压涡轮导向器的多部件联合变维仿真平台，在主燃烧室设计仿真时创新性的考虑了来流的影响及高压涡轮导向器喉道临界的堵塞作用；打破了部件壁垒，可快速实现主燃烧室设计中多部件、多专业的高效协同，更加真实的考虑了主燃烧室的工作场景，提高了主燃烧室部件在发动机设计中的匹配性，又保证了计算的高效性，还能实现主燃烧室基于真实工作场景的功能验证；通过进行综合仿真精度评价仿真的准确度和有效性，提高了仿真方法在不同发动机主燃烧室仿真中的通用性，可实现主燃烧室的快速、高精度的方案设计。

Description

一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法

技术领域

本发明涉及航空发动机和燃气轮机仿真领域，公开了一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法。

背景技术

航空发动机主燃烧室的设计不仅要考虑气体流动方面的影响因素，还要考虑化学反应、传热、冷却以及热应力等方面的影响因素，所以为了提高设计能力和效率，三维数值模拟计算已经被广泛的引入到了主燃烧室的前期设计工作中，而且其也对推动主燃烧室设计技术发展起到了一定的作用。

图3为一般进行主燃烧室仿真的模型，在设计主燃烧室部件时，一般只通过总体给的压气机出口压力、压气机出口空气流量、主燃烧室出口总温等一维参数进行设计，而实际压气机出口截面的速度场在径向分布是不均匀的，且压气机末级导叶出口也存在着一定的叶片尾迹，而高压涡轮导向器作为发动机的节流面对主燃烧室的流量和压力有着重要影响，所以以往经常会发生这样一种情况，设计出来的主燃烧室在进行主燃烧室部件试验时性能很好，但是在核心机或者整机试验时性能差异很大。

气流经过多级压气机后，气流流向会带有一定的偏转角，并不完全均匀。主燃烧室下游的涡轮静子和转子对气流的反向作用也会对主燃烧室内流场产生一定影响。在进行主燃烧室部件设计时，如果带有压气机和涡轮整个部件，则会使得主燃烧室的设计难以抓住主要矛盾，导致设计变得臃肿且效率低下；但整个设计过程中如果完全不考虑主燃烧室上下游结构的影响，又可能使得部件设计状态与核心机、整机实际状态产生较大偏差。

同时在工程实际设计中，还要考虑到仿真精度的问题，主燃烧室仿真精度一般与湍流模型、燃烧模型、喷雾模型、求解格式、网格划分尺寸、网格类型、收敛评价方法、物理模型选取等有关，所以需要一套有效的方法对仿真精度进行评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，在主燃烧室设计仿真时考虑了来流的影响及高压涡轮导向器喉道临界的堵塞作用等；打破了部件壁垒，可快速实现主燃烧室设计中多部件、多专业的高效协同，更加真实的考虑了主燃烧室的工作场景，能够提高了主燃烧室部件在发动机设计中的匹配性，同时又保证了计算的高效性；还能实现主燃烧室基于真实工作场景的功能验证。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，包括如下步骤：

S1、分别建立压气机末级导叶模型、主燃烧室模型以及高压涡轮导向器模型；

S2、分别对压气机末级导叶模型、主燃烧室模型以及高压涡轮导向器模型进行网格划分，然后进行模型相邻进出口截面的拼接，完成仿真平台搭建；

S3、给定压气机末级导叶进口二维流场参数、主燃烧室的燃油喷射参数、高压涡轮导向器出口静压值，进行仿真迭代计算获得主燃烧室流场，以及获得包括燃烧效率、总压恢复系数、出口温度分布、火焰筒压降的性能参数。

进一步地，步骤S1中模型建立包括：根据所要仿真的工况将压气机末级导叶、主燃烧室、高压涡轮导向器冷态尺寸，以及相应材料的热变形参数换算成热态尺寸，使其与真实工作状态热变形后的尺寸一致；

根据压气机末级导叶叶片数量、主燃烧室头部数量、高压涡轮导向器叶片数量的公约数，确定三部分的一个公共周期对应的扇形头部作为扇形仿真域。

进一步地，步骤S2中三部分模型网格按照统一坐标系进行上下游连接，压气机末级导叶出口截面与主燃烧室进口截面相接并重合，主燃烧室出口截面与高压涡轮导向器进口截面相接并重合，相接面使用内部面；内部面上使用插值法实时传递流场信息，各模型周向上分别使用周期性边界处理，最终所有用于计算的网格连接成一体。

进一步地，步骤S2中网格划分完成后对压气机末级导叶、主燃烧室以及高压涡轮导向器的网格质量检查，如果网格畸变度小于等于相应的预设阈值时则进行截面的拼接，如果大于相应的预设阈值时则需要返回重新修改模型及网格划分。

进一步地，步骤S3仿真迭代计算过程中，监测各项迭代残差及主燃烧室出口空气流量和出口平均温度，当各参数的迭代残差、主燃烧室出口空气流量和出口平均温度的波动均小于相应的预设阈值时判断为计算结果收敛。

进一步地，基于对应部位压力、温度实测值，对步骤S3仿真获得的主燃烧室流场及性能参数进行仿真综合精度计算，获得可信度值，如果可信度值在相应的预设阈值范围内，则计算结果用于实际主燃烧室设计。

进一步地，综合精度可信度值s=ξ ₁·s ₁+ξ ₂·s ₂+ξ ₃·s ₃，其中s ₁为压力场仿真精度，s ₂为温度场仿真精度，s ₃为主要性能参数仿真精度；ξ ₁、ξ ₂、ξ ₃为系数，且ξ ₁+ξ ₂+ξ ₃=1。

进一步地，压力场仿真精度s ₁用于评估二股流各位置相对火焰筒内静压压降精度、主燃烧室内各大孔及头部流量分配精度；压力场仿真精度s ₁的表达式为：

式中：p′ _i 为火焰筒冷气侧第i个测点静压实际测量值；p _i 为火焰筒冷气侧第i个测点静压仿真值；q′ _i 为火焰筒热侧第i个测点静压实际测量值；q _i 为火焰筒热侧第i个测点静压仿真值；n代表总的火焰筒单侧压力测点数。

进一步地，温度场仿真精度s ₂用于评估火焰筒、机匣、挡溅盘壁温精度，以及主燃烧室出口温度分布情况；温度场仿真精度s ₂的表达式为：

式中：T′ _i 为火焰筒、机匣、挡溅盘壁第i个测点温度实测值；T _i 为火焰筒、机匣、挡溅盘壁第i个测点温度仿真值；m代表总的火焰筒单侧温度测点总数；r′为主燃烧室出口温度RTDF分布系数实测值；r为主燃烧室出口温度RTDF分布系数仿真值；o′为主燃烧室出口温度OTDF分布系数实测值；o为主燃烧室出口温度OTDF分布系数仿真值，系数a+b+c=1。

进一步地，主要性能参数仿真精度s ₃用于评估燃烧效率、总压恢复系数；s ₃ 的表达式为：

式中：

为燃烧效率实测值；

为燃烧效率仿真值；o′为主燃烧室出口温度OTDF分布系数实测值；o为主燃烧室出口温度OTDF分布系数仿真值，系数d+e=1。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

1、本发明通过建立基于上游压气机末级导叶、主燃烧室部件及下游高压涡轮导向器的多部件联合变维仿真平台，在主燃烧室设计仿真时创新性的考虑了来流的影响及高压涡轮导向器喉道临界的堵塞作用等；打破了部件壁垒，可快速实现主燃烧室设计中多部件、多专业的高效协同，更加真实的考虑了主燃烧室的工作场景，提高了主燃烧室部件在发动机设计中的匹配性，同时又保证了计算的高效性；还能实现主燃烧室基于真实工作场景的功能验证。

2、本发明基于压力场、温度场及主要性能参数的建立的综合仿真精度评价方法可有效评价仿真方法的准确度和有效性，提高了仿真方法在不同发动机主燃烧室仿真中的通用性，可实现主燃烧室的快速、高精度的方案设计，节省大量计算成本，可在行业内推广应用，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。

附图说明

图1为实施例1中基于上下游限制的主燃烧室仿真方法流程图；

图2为实施例2中基于上下游限制的主燃烧室仿真方法流程图；

图3为一般主燃烧室仿真模型示意图；

图4为实施例1或2中建立的基于上下游限制的主燃烧室仿真模型示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

参见图1和图4，一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，包括以下步骤：

S1、分别建立压气机末级导叶模型、主燃烧室模型以及高压涡轮导向器模型；

S2、分别对压气机末级导叶模型、主燃烧室模型以及高压涡轮导向器模型进行网格划分，然后进行模型相邻进出口截面的拼接，完成仿真平台搭建；

S3、给定压气机末级导叶进口二维流场参数、主燃烧室的燃油喷射参数、高压涡轮导向器出口静压值，进行仿真迭代计算获得主燃烧室流场，以及获得包括燃烧效率、总压恢复系数、出口温度分布、火焰筒压降的性能参数。

在本实施例中，通过建立基于上游压气机末级导叶、主燃烧室部件及下游高压涡轮导向器的多部件联合变维仿真平台，在主燃烧室设计仿真时创新性的考虑了来流的影响及高压涡轮导向器喉道临界的堵塞作用，如涡轮静子和转子对气流的反向作用等，打破了部件壁垒，可快速实现主燃烧室设计中多部件、多专业的高效协同，更加真实的考虑了主燃烧室的工作场景，提高了主燃烧室部件在发动机设计中的匹配性，同时又保证了计算的高效性；还能实现主燃烧室基于真实工作场景的功能验证。

本实施例的步骤S1中模型建立包括：根据所要仿真的工况对主燃烧室结构进行冷热态尺寸链换算：选取一定数量的旋流器及喷嘴对应的扇形头部，该扇形头部周向上角度的选取依据压气机末级导叶叶片数量、主燃烧室头部数量、高压涡轮导向器叶片数量的最小公约数确定，以保证三部分模型在周向上呈现周期性。

步骤S2中三部分模型网格按照统一坐标系进行上下游连接，压气机末级导叶出口截面与主燃烧室进口截面相接并重合，主燃烧室出口截面与高压涡轮导向器进口截面相接并重合，相接面使用内部面；内部面上使用插值法实时传递流场信息，各模型周向上分别使用周期性边界处理，最终所有用于计算的网格连接成一体。

步骤S3仿真迭代计算过程中，监测各项迭代残差及主燃烧室出口空气流量和出口平均温度，当各参数的迭代残差、主燃烧室出口空气流量和出口平均温度的波动均小于相应的预设阈值时判断为计算结果收敛。

实施例2

参见图2-4，本实施例以某一型号的主燃烧室仿真为例，对本发明的方法进行详细说明，具体仿真步骤如下：

步骤1、多部件模型建立：物理模型示意图见图3，选取压气机末级导叶段、高压涡轮导向器段及主燃烧室的模型，并根据所要仿真的工况将压气机末级导叶、主燃烧室、高压涡轮导向器冷态尺寸，以及相应材料的热变形参数换算成热态尺寸，使其与真实工作状态热变形后的尺寸一致。一般压气机末级导叶、主燃烧室、高压涡轮导向器的仿真流域均是环形，在周向上有一定的周期性，所以只需计算三者一个公共的周期，可以减少计算量的同时保证计算精度。所以本实施例各部分选取一定的扇形头部，扇形仿真域周向角度的选取依据压气机末级导叶叶片数量、主燃烧室头部数量、高压涡轮导向器叶片数量的最小公约数确定三部分的一个公共周期对应的扇形头部作为扇形仿真域，以保证三部分物理模型在周向上呈现周期性。

步骤2、计算网格独立划分。采用不同网格划分软件分别对压气机末级导叶及高压涡轮导向器进行结构化网格划分，即采用NUMECA中的AutoGrid对压气机末级导叶划分结构化网格，采用TurboGrid对高压涡轮导向器划分网格，并带有不少于4层的附面层网格，保证高压涡轮各排叶片及上下缘板表面绝大部分区域第一层网格高度小于0.1mm。主燃烧室部件采用ANSYS Fluentmesh划分网格，因为主燃烧室内带有大量的火焰筒壁面冷却孔及复杂的头部结构，所以对主燃烧室大部分区域进行非结构化划分，在扩压器壁面划分附面层网格。

步骤3、压气机末级导叶、主燃烧室以及高压涡轮导向器的网格质量检查，如果网格畸变度小于等于0.8时则进行下一步，如果大于0.8时则需要返回重新修改模型细节及网格划分。

步骤4、多部件变维联合仿真平台建立：在前处理软件CFX Pre-post中对三部分网格按照统一坐标系进行上下游连接，压气机末级导叶出口截面与主燃烧室进口截面相接并重合，主燃烧室出口截面与高压涡轮导向器进口截面相接并重合，相接面使用内部面，该内部面上使用插值法实时传递流场信息，各部分模型周向上分别使用周期性边界处理，最终所有用于计算的网格连接成一体。

步骤5、边界条件给定：整个计算域的进口即压气机末级导叶的进口，采用压气机基于二维仿真软件迭代的压气机末级动叶出口二维流场信息（包括总压、速度矢量方向、温度），整个计算的域的主流出口，即高压涡轮导向器出口设置为静压，静压值采用实测值，主燃烧室的燃油喷射采用DPM（Discrete Phase Model）源项加入，喷油粒径、速度、温度、流量根据试验值设定，最终完成整个仿真平台的搭建。

步骤6、三维仿真计算：利用三维仿真软件ANSYS CFX进行包含化学反应的热态迭代计算，湍流模型采用可适应高压涡轮导向器喉道临界声速及主燃烧室低马赫数的ShearStress Transport(SST)模型，同时监测各项迭代残差及主燃烧室出口空气流量和出口平均温度，当各参数的迭代残差均小于0.0001且出口空气流量和出口平均温度的波动小于1%时认为计算结果收敛。

步骤7、基于对应部位压力、温度实测值，进行综合精度可信度评价（尤其是该仿真平台首次用于某型主燃烧室仿真时），综合精度可信度值s=ξ ₁·s ₁+ξ ₂·s ₂+ξ ₃·s ₃，其中s ₁为压力场仿真精度，s ₂为温度场仿真精度，s ₃为主要性能参数仿真精度；ξ ₁、ξ ₂、ξ ₃为系数，且ξ ₁+ξ ₂+ξ ₃=1。各参量仿真精度计算方法主要包括：

1）压力场仿真精度s ₁：用于评估二股流各位置相对火焰筒内静压压降精度、主燃烧室内各大孔及头部流量分配精度；压力场仿真精度s ₁的表达式为：

式中：p′ _i 为火焰筒冷气侧第i个测点静压实际测量值；p _i 为火焰筒冷气侧第i个测点静压仿真值；q′ _i 为火焰筒热侧第i个测点静压实际测量值；q _i 为火焰筒热侧第i个测点静压仿真值；n代表总的火焰筒单侧压力测点数。

2）温度场仿真精度s ₂：用于评估火焰筒、机匣、挡溅盘壁温精度，以及主燃烧室出口温度分布情况；本实施例中温度场仿真精度s ₂的表达式为：

式中：T′ _i 为火焰筒、机匣、挡溅盘壁第i个测点温度实测值；T _i 为火焰筒、机匣、挡溅盘壁第i个测点温度仿真值；m代表总的火焰筒单侧温度测点总数；r′为主燃烧室出口温度RTDF分布系数实测值；r为主燃烧室出口温度RTDF分布系数仿真值；o′为主燃烧室出口温度OTDF分布系数实测值；o为主燃烧室出口温度OTDF分布系数仿真值。

3）主要性能参数仿真精度s ₃用于评估燃烧效率、总压恢复系数；本实施例中s ₃ 的表达式为：

式中：

为燃烧效率实测值；

为燃烧效率仿真值；o′为主燃烧室出口温度OTDF分布系数实测值；o为主燃烧室出口温度OTDF分布系数仿真值。

其中：

OTDF=(T4max-T4av)/(T4av-T3av)

RTDF=(T4rmax-T4av)/( T4av-T3av)

式中，OTDF为主燃烧室出口总的温度分布系数，RTDF为主燃烧室出口径向温度分布系数；T4max指燃烧室出口截面温度最大值，T4av指燃烧室出口平均温度，T4rmax指燃烧室出口等径向高度的周向平均温度的最大值，T3av指燃烧室进口平均温度。

本实施例中总的测点数量m、n≥10。

步骤8、本实施例中综合精度可信度值s计算过程中，ξ ₁取0.3~0.4，ξ ₂取0.2~0.3，ξ ₃取0.2~0.3。若主燃烧室仿真置信度：若s≤0.05，则该仿真方法在工程上可信，该仿真平台的计算结果可用于实际主燃烧室设计；否则需重新进行网格划分、边界条件设置以及三维计算方法更换等重新迭代。

步骤9、改进方案的快速模块化替换：如果要进行主燃烧室的多设计方案的仿真计算，可只改变主燃烧室的结构重新划网格，并替换步骤4中给出的仿真平台中的主燃烧室的原网格后，即可开始新方案的仿真迭代计算。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、分别建立压气机末级导叶模型、主燃烧室模型以及高压涡轮导向器模型；

S2、分别对压气机末级导叶模型、主燃烧室模型以及高压涡轮导向器模型进行网格划分，然后进行模型相邻进出口截面的拼接，完成仿真平台搭建；

S3、给定压气机末级导叶进口二维流场参数、主燃烧室的燃油喷射参数、高压涡轮导向器出口静压值，进行仿真迭代计算获得主燃烧室流场，以及获得包括燃烧效率、总压恢复系数、出口温度分布、火焰筒压降的性能参数。

2.根据权利要求1所述的基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，步骤S1中模型建立包括：根据所要仿真的工况将压气机末级导叶、主燃烧室、高压涡轮导向器冷态尺寸，以及相应材料的热变形参数换算成热态尺寸，使其与真实工作状态热变形后的尺寸一致；

根据压气机末级导叶叶片数量、主燃烧室头部数量、高压涡轮导向器叶片数量的公约数，确定三部分的一个公共周期对应的扇形头部作为扇形仿真域。

3.根据权利要求1所述的一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，步骤S2中三部分模型网格按照统一坐标系进行上下游连接，压气机末级导叶出口截面与主燃烧室进口截面相接并重合，主燃烧室出口截面与高压涡轮导向器进口截面相接并重合，相接面使用内部面；内部面上使用插值法实时传递流场信息，各模型周向上分别使用周期性边界处理，最终所有用于计算的网格连接成一体。

4.根据权利要求1所述的基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，步骤S2中网格划分完成后对压气机末级导叶、主燃烧室以及高压涡轮导向器的网格质量检查，如果网格畸变度小于等于相应的预设阈值时则进行截面的拼接，如果大于相应的预设阈值时则需要返回重新修改模型及网格划分。

5.根据权利要求1所述的一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，步骤S3仿真迭代计算过程中，监测各项迭代残差及主燃烧室出口空气流量和出口平均温度，当各参数的迭代残差、主燃烧室出口空气流量和出口平均温度的波动均小于相应的预设阈值时判断为计算结果收敛。

6.根据权利要求1所述的一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，基于对应部位压力、温度实测值，对步骤S3仿真获得的主燃烧室流场及性能参数进行仿真综合精度计算，获得可信度值，如果可信度值在相应的预设阈值范围内，则计算结果用于实际主燃烧室设计。

7.根据权利要求6所述的一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，综合精度可信度值s=ξ ₁·s ₁+ξ ₂·s ₂+ξ ₃·s ₃，其中s ₁为压力场仿真精度，s ₂为温度场仿真精度，s ₃为主要性能参数仿真精度；ξ ₁、ξ ₂、ξ ₃为系数，且ξ ₁+ξ ₂+ξ ₃=1。

8.根据权利要求7所述的一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，压力场仿真精度s ₁用于评估二股流各位置相对火焰筒内静压压降精度、主燃烧室内各大孔及头部流量分配精度；压力场仿真精度s ₁的表达式为：

式中：p′ _i 为火焰筒冷气侧第i个测点静压实际测量值；p _i 为火焰筒冷气侧第i个测点静压仿真值；q′ _i 为火焰筒热侧第i个测点静压实际测量值；q _i 为火焰筒热侧第i个测点静压仿真值；n代表总的火焰筒单侧压力测点数。

9.根据权利要求7所述的一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，温度场仿真精度s ₂用于评估火焰筒、机匣、挡溅盘壁温精度，以及主燃烧室出口温度分布情况；温度场仿真精度s ₂的表达式为：

式中：T′ _i 为火焰筒、机匣、挡溅盘壁第i个测点温度实测值；T _i 为火焰筒、机匣、挡溅盘壁第i个测点温度仿真值；m代表总的火焰筒单侧温度测点总数；r′为主燃烧室出口温度RTDF分布系数实测值；r为主燃烧室出口温度RTDF分布系数仿真值；o′为主燃烧室出口温度OTDF分布系数实测值；o为主燃烧室出口温度OTDF分布系数仿真值，系数a+b+c=1。

10.根据权利要求7所述的一种基于上下游限制的主燃烧室仿真方法，其特征在于，主要性能参数仿真精度s ₃用于评估燃烧效率、总压恢复系数；s ₃ 的表达式为：

式中：

为燃烧效率实测值；

为燃烧效率仿真值；o′为主燃烧室出口温度OTDF分布系数实测值；o为主燃烧室出口温度OTDF分布系数仿真值，系数d+e=1。

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