燃燒室數(shù)值仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

■ 靜大亮 王 珂 陳 曦/中國航發(fā)研究院 林宏軍/中國航發(fā)動力所 肖 為/中國航發(fā)動研所 王 方/北京航空航天大學(xué) 任祝寅/清華大學(xué)

在航空發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)過程中，研發(fā)人員需要攻克結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、燃燒組織的多樣性、內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)過程的多變性等諸多難題，而數(shù)值仿真技術(shù)的快速發(fā)展為降低研發(fā)難度和縮短研發(fā)周期提供了一條重要途徑。

燃燒室是航空發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的核心部件之一，它的設(shè)計(jì)直接影響到整機(jī)的性能。典型發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、燃燒組織的多樣性、內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)過程的多變性，決定了發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)具有技術(shù)難度大、研發(fā)周期長、研制風(fēng)險高等特點(diǎn)，其研發(fā)過程仍需依賴大量的物理試驗(yàn)。

隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真理論的迅速發(fā)展，與燃燒室數(shù)值模擬相關(guān)的物理化學(xué)模型不斷完善，數(shù)值仿真技術(shù)逐漸在燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)研究和工程研制中得到了應(yīng)用。目前,燃燒仿真技術(shù)在工程上的應(yīng)用已經(jīng)貫穿了燃燒室設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、服務(wù)保障等產(chǎn)品研發(fā)和發(fā)展的全生命周期，發(fā)揮了仿真技術(shù)在燃燒室設(shè)計(jì)和研制中“以虛輔實(shí)、以虛補(bǔ)實(shí)、以虛預(yù)實(shí)、以虛代實(shí)”的作用。

本文對國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)燃燒室仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀、差距以及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

國外航空發(fā)動機(jī)燃燒室仿真技術(shù)現(xiàn)狀

圖1 典型航空發(fā)動燃燒室結(jié)構(gòu)

早在20世紀(jì)70年代后期，美歐等航空發(fā)達(dá)國家就相繼制訂并實(shí)施了針對航空發(fā)動機(jī)的數(shù)值仿真計(jì)劃。例如，美國先后實(shí)施了燃燒室模擬評估（CME）、國家燃燒計(jì)算模塊（NCC）、先進(jìn)模擬和計(jì)算（ASC）、燃燒室設(shè)計(jì)模擬評估（CDME）、推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真（NPSS）等一系列數(shù)值模擬領(lǐng)域的重大研究計(jì)劃，開發(fā)了可用于燃燒室氣動穩(wěn)態(tài)模擬的國家燃燒代碼（NCC）等發(fā)動機(jī)數(shù)值計(jì)算核心軟件。同時，各航空發(fā)動機(jī)制造商，如美國GE公司、普惠公司和英國羅羅公司等，也針對各自的工程研究需要，開發(fā)了專門的燃燒室性能仿真軟件或物理仿真模型，并結(jié)合商用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）程序（如ANSYS Fluent）用于生產(chǎn)型和研究型燃燒室的性能預(yù)估，并指導(dǎo)燃燒室設(shè)計(jì)與研制。目前，燃燒室的工程數(shù)值模擬主要依靠傳統(tǒng)的雷諾平均法（RANS），雖然在一定程度上可滿足工程應(yīng)用要求，但還達(dá)不到實(shí)際燃燒室設(shè)計(jì)及研究需要的精度。

當(dāng)前,燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)一步朝著高保真、高效的方向發(fā)展。美國國家航空航天局（NASA）在最新公布的《CFD2030年遠(yuǎn)景規(guī)劃》中也將航空發(fā)動機(jī)燃燒流場高保真、高效模擬列為四個CFD應(yīng)用重大挑戰(zhàn)性和亟須解決問題之一。隨著燃燒數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，各研究機(jī)構(gòu)對燃燒室數(shù)值仿真的精度提出了更高的要求，例如，美國GE公司燃燒室設(shè)計(jì)（CCD）軟件對下一代燃燒綜合性能模擬計(jì)算工具的預(yù)測精度提出了更高要求。高保真、高效燃燒數(shù)值仿真技術(shù)的需求，對燃燒室內(nèi)強(qiáng)旋流、三維、非定常兩相多物理過程耦合的物理過程建模和數(shù)值方法提出了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，大渦模擬（LES）方法已逐漸成為模擬發(fā)動機(jī)燃燒過程的一種有效方法和發(fā)展趨勢。大渦模擬是介于雷諾平均和直接數(shù)值模擬之間、精度較高但又經(jīng)濟(jì)可行的一種湍流燃燒模擬方法。GE公司、普惠公司從2008年左右開始大力推廣大渦模擬方法在發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用。如圖2所示，CPD、AVBP、ANSYS Fluent等商用軟件中集成的大渦模擬方法，已經(jīng)應(yīng)用在研究發(fā)動機(jī)燃燒點(diǎn)火/熄火、霧化燃燒過程和出口溫度分布、燃燒不穩(wěn)定性、污染物生成等重要的工程實(shí)際問題中。值得一提的是，歐洲科學(xué)計(jì)算研究中心（CERFACS）在最近10年內(nèi)完善并促進(jìn)了燃燒大渦模擬在發(fā)動機(jī)研究中的應(yīng)用。

燃燒模型方面，當(dāng)前以基于總包反應(yīng)的有限速率模型、火焰面類模型和基于有限速率的燃燒模型（如概率密度函數(shù)類）大類模型為主?；诳偘磻?yīng)的有限速率模型，如渦破碎模型、加厚火焰面模型等因未考慮詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，不能準(zhǔn)確模擬點(diǎn)火/熄火和污染物排放等關(guān)鍵物理過程。早期基于火焰面燃燒模型的CFD模擬廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度分布、熄火和燃燒不穩(wěn)定性的研究?；鹧婷骖惾紵Ｐ湍軌蚋咝M湍流-化學(xué)反應(yīng)弱相互作用下層流火焰結(jié)構(gòu)未受擾動的情況，但是不能準(zhǔn)確刻畫發(fā)動機(jī)真實(shí)狀態(tài)下湍流-化學(xué)反應(yīng)之間的強(qiáng)相互作用，如出現(xiàn)局部熄火/再燃，同樣不能準(zhǔn)確模擬發(fā)動機(jī)點(diǎn)火火核形成和氮氧化物、炭煙等污染物排放關(guān)鍵問題。而概率密度函數(shù)燃燒模型，如蒙特卡羅（Monte Carlo）或隨機(jī)場概率密度函數(shù)法等，能夠準(zhǔn)確地描述極限條件下燃燒有限化學(xué)反應(yīng)速率的影響，從而能夠準(zhǔn)確刻畫強(qiáng)湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用，準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程和污染物排放。如圖2所示，2015年GE公司已經(jīng)運(yùn)用基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的有限速率燃燒模型預(yù)測航空發(fā)動機(jī)的污染物排放問題。為進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)燃燒仿真效率，當(dāng)前高效、通用的自適應(yīng)湍流燃燒建模是一個國際上研究的熱點(diǎn)。自適應(yīng)模型將兼顧仿真精度和計(jì)算效率，根據(jù)局部火焰和湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用特性來選擇合適的湍流燃燒模型。

燃燒室高保真數(shù)值仿真對兩相霧化/蒸發(fā)過程等模型的構(gòu)建也提出了新的要求和挑戰(zhàn)。燃料霧化過程按先后順序可再分為初始霧化及二次霧化兩個過程，國際上開展了大量對二次霧化機(jī)理的研究，并在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的模型。但對于初始霧化機(jī)理認(rèn)識還不夠清晰，欠缺完整的各影響因素的作用機(jī)理和規(guī)律研究，而初始霧化過程對后續(xù)的二次霧化及整個霧化性能起著決定性的作用，需進(jìn)一步開展初始霧化機(jī)理研究，完善適用于發(fā)動機(jī)實(shí)際工況的初始霧化模型。另外，主燃燒室和加力燃燒室均存在過程更為復(fù)雜的油膜霧化狀況，包含液滴吸收、濺射、表面脫離和邊界分離等一系列物理子過程，其霧化機(jī)理的解釋和預(yù)測模型尚不成熟，針對該過程的數(shù)值方法也在逐步發(fā)展之中。蒸發(fā)方面，目前常用的蒸發(fā)模型是一維簡化蒸發(fā)模型，缺乏適合燃燒室應(yīng)用的考慮高溫、低氧、對流、國產(chǎn)航空煤油性質(zhì)等多因素的蒸發(fā)模型，缺乏針對燃燒室寬工況范圍的有效檢驗(yàn)。因此，構(gòu)建寬工況下基于國產(chǎn)航空煤油的高精度兩相霧化蒸發(fā)模型具有迫切的必要性。

圖2 大渦模擬在航空發(fā)動燃燒數(shù)值仿真上的應(yīng)用

圖3 湍流預(yù)混火焰的大渦模擬/概率密度函數(shù)驗(yàn)證

圖4 非預(yù)混火焰大渦模擬/隨機(jī)場概率密度函數(shù)

當(dāng)前國際上已具備大渦模擬功能的主流軟件，如ANSYS Fluent、AVBP、Cascade等，在兩相霧化、蒸發(fā)和燃燒模型等方面模型單一或不完善。比如，AVBP或Cascade只有單一的加厚火焰面或火焰面反應(yīng)進(jìn)程標(biāo)量模型，沒有準(zhǔn)確考慮基于有限速率的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)影響，不能準(zhǔn)確模擬點(diǎn)/熄火和污染物排放；雖然ANSYS Fluent和Star-CCM+等通用物理模型較全，但對兩相霧化、蒸發(fā)等模型需要進(jìn)一步完善，缺乏高效、自適應(yīng)燃燒模型。針對先進(jìn)發(fā)動機(jī)寬壓力、強(qiáng)湍流的燃燒模擬，基于概率密度函數(shù)燃燒模型的高效、通用的自適應(yīng)湍流燃燒模型是當(dāng)前一個研究的熱點(diǎn)。

國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)燃燒室仿真技術(shù)現(xiàn)狀

我國的航空發(fā)動機(jī)燃燒仿真技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，隨著國際燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，各大科研院所先后開展了大量針對商業(yè)軟件的燃燒計(jì)算應(yīng)用、驗(yàn)證與確認(rèn)工作，對湍流模型、網(wǎng)格策略、進(jìn)出口邊界等開展了不同應(yīng)用場景下的研究與驗(yàn)證。然而，現(xiàn)有的商業(yè)燃燒仿真軟件的代碼完全封閉，二次開發(fā)權(quán)限極為有限，并且無法為國內(nèi)提供先進(jìn)的兩相湍流燃燒模型，導(dǎo)致國內(nèi)研究院所無法基于商業(yè)燃燒仿真軟件進(jìn)一步提升航空發(fā)動機(jī)燃燒室兩相湍流燃燒仿真能力。由此可見，燃燒室仿真的瓶頸在于高保真物理模型開發(fā)、自主仿真軟件的研制。中國航空發(fā)動機(jī)研究院基于開源代碼發(fā)展了工程燃燒仿真軟件COURAGE。該軟件可基于任意形式的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格開展計(jì)算，核心求解器具備RANS/LES湍流模型、基本兩相霧化和蒸發(fā)、輻射等物理模型。

在燃燒模型方面，該軟件采取基于有限化學(xué)反應(yīng)速率燃燒模型的技術(shù)路線，直接求解組分輸運(yùn)方程，從而能夠把詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)直接用于CFD模擬。北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動機(jī)數(shù)值仿真中心開發(fā)了三維兩相湍流燃燒仿真AECSC軟件，該軟件燃燒模型采用隨機(jī)場法的聯(lián)合概率密度函數(shù)輸運(yùn)模型，該燃燒模型對湍流燃燒中溫度、組分場特別是污染物的預(yù)測有明顯的優(yōu)勢。

在湍流燃燒物理建模方面，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等基于自主燃燒仿真軟件開展了大量的物理模型研究和驗(yàn)證工作，其中包括RANS/LES混合湍流模型、隨機(jī)場和蒙特卡羅概率密度函數(shù)燃燒模型建模、燃燒特征時間尺度模型、標(biāo)量小尺度混合模型、污染物模型以及霧化蒸發(fā)模型的構(gòu)建等，這些模型均已在簡單實(shí)驗(yàn)室火焰的大渦模擬中進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，如圖3、圖4和圖5所示。

圖5 鈍體預(yù)混火焰大渦模擬/隨機(jī)場概率密度函數(shù)

另外，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、四川大學(xué)等還在航空煤油機(jī)理簡化和高效應(yīng)用方面做了大量的前沿工作。中國航空發(fā)動機(jī)研究院、中國科學(xué)院過程工程研究所、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等單位開展了大量基于水平集-流體體積耦合法 (Coupled Level Set and Volume of Fluid，CLSVOF)、光滑粒子流體動力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）等方法的霧化仿真方法研究，如圖6所示。此外，在針對工程適用的燃燒室計(jì)算方法驗(yàn)證中，中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所、中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所等主機(jī)所開展了大量的工作，基于模型和全環(huán)主燃燒室以及加力燃燒室，開展了燃燒室全流動域數(shù)值仿真和性能計(jì)算分析研究與仿真驗(yàn)證工作，初步建立了較為完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。

圖6 燃燒室內(nèi)部燃油霧化模擬

總體而言，國內(nèi)自主仿真軟件開發(fā)和國際發(fā)展趨勢一致，積累了一定經(jīng)驗(yàn)：初步具備了航空發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)仿真體系建設(shè)的能力；在湍流模型、兩相湍流燃燒模型、霧化蒸發(fā)模型等物理模型研究方面取得了顯著的進(jìn)展；在軟件平臺開發(fā)，軟件驗(yàn)證與確認(rèn)、驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫建設(shè)等方面已經(jīng)有了一定程度的發(fā)展。

國內(nèi)燃燒室仿真技術(shù)的差距及未來發(fā)展趨勢

通過多年來燃燒數(shù)值仿真技術(shù)研究的開展，國內(nèi)已經(jīng)基本具備了燃燒仿真軟件開發(fā)和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，與國外相比，主要技術(shù)差距與未來發(fā)展方向包括：

● 燃燒室的設(shè)計(jì)和性能評估，仍然主要依賴商用軟件開展，但是商用軟件無法確保燃燒室工程設(shè)計(jì)中特定狀態(tài)下的計(jì)算精度，難以滿足型號設(shè)計(jì)的特殊需求，無法獲得有效的預(yù)測結(jié)果；

● 國內(nèi)工程常用的燃燒數(shù)值模擬方法仍主要依靠傳統(tǒng)的雷諾平均法，雖在一定程度上可滿足工程應(yīng)用，但還達(dá)不到實(shí)際燃燒室設(shè)計(jì)所需的精度，大渦模擬方法在軟件上的應(yīng)用研究仍不充分；

● 國內(nèi)自主開發(fā)軟件中的湍流燃燒模型較為薄弱，兩相霧化、蒸發(fā)模型單一或不完善，用于燃燒計(jì)算的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理過于簡單，尤其是國產(chǎn)航空煤油的構(gòu)成和反應(yīng)機(jī)理尚不明確，簡化機(jī)理缺失；

● 國內(nèi)用于軟件驗(yàn)證的燃燒室構(gòu)型相對有限，可直接用于軟件驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，無法有效地開展軟件計(jì)算精度及其通用性的驗(yàn)證和確認(rèn)；

● 國內(nèi)軟件的開發(fā)均集中于高?；蛐袠I(yè)內(nèi)各單位的自發(fā)研究，高校與工程單位的交互較差，并未形成有效的聯(lián)合工作團(tuán)隊(duì)，不利于軟件的完善、發(fā)展和后續(xù)軟件的工程應(yīng)用及推廣。

總體而言，我國在燃燒仿真軟件的開發(fā)、完善、工程應(yīng)用和驗(yàn)證上仍有較大的差距，仍需在湍流燃燒模型、霧化蒸發(fā)模型構(gòu)建，高效并行軟件平臺開發(fā)、燃燒軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)，以及驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)等方面開展深入研究。隨著世界范圍內(nèi)燃燒數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)對仿真精度也提出了更高的要求，未來的燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)將進(jìn)一步朝著高保真、高效的趨勢發(fā)展，這將對燃燒室內(nèi)強(qiáng)旋流、三維、非定常兩相多物理過程耦合的物理建模和數(shù)值方法提出了新的挑戰(zhàn)。在強(qiáng)旋流、三維、非定常的流場解析中，大渦模擬方法能夠?qū)θ紵龍鲋写蟪叨鹊牧鲃咏Y(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的求解，是介于雷諾平均和直接數(shù)值模擬之間、精度較高但又經(jīng)濟(jì)可行的一種湍流燃燒模擬方法，已逐漸成為模擬發(fā)動機(jī)燃燒過程的一種有效手段和發(fā)展方向；在兩相霧化蒸發(fā)模型方面，受限于試驗(yàn)技術(shù)難度，現(xiàn)有霧化模型在實(shí)際燃燒室模擬中的適用性尚有待驗(yàn)證，而采用基于水平集-流體體積耦合法的高精度霧化數(shù)值模擬方法來開展燃燒室復(fù)雜高溫環(huán)境下的霧化機(jī)理研究，將成為霧化模型開發(fā)優(yōu)化與驗(yàn)證的一種重要途徑；在燃燒模型方面，針對先進(jìn)發(fā)動機(jī)寬壓力、強(qiáng)湍流的燃燒模擬，基于概率密度函數(shù)燃燒模型的高效、通用的自適應(yīng)湍流燃燒建模是一個國際上研究的熱點(diǎn)，自適應(yīng)模型將兼顧仿真精度和計(jì)算效率，根據(jù)局部火焰和湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用特性來選擇合適的湍流燃燒模型，進(jìn)而顯著提高發(fā)動機(jī)燃燒仿真效率。

結(jié)束語

隨著燃燒理論的突破和算法的改進(jìn)，國際上燃燒室數(shù)值仿真技術(shù)已得到了大量的工程應(yīng)用，使得燃燒室的工程研制周期縮短、研發(fā)成本大幅降低。國內(nèi)起步稍晚，目前以各航空院所及主流高校為代表在該領(lǐng)域已初步具備了航空發(fā)動機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)仿真體系建設(shè)的能力。而未來燃燒室仿真技術(shù)的發(fā)展，將需要在高保真數(shù)值模擬方法、湍流燃燒模型、霧化蒸發(fā)模型構(gòu)建，高效并行軟件平臺開發(fā)、燃燒軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)，以及驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)等方面開展深入工作，進(jìn)而為推進(jìn)數(shù)值仿真技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)工程設(shè)計(jì)上的應(yīng)用提供支撐，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”走向“預(yù)測設(shè)計(jì)”的最終目標(biāo)。