CFD 专栏丨 Flow Simulator 案例：航空发动机燃烧室一维仿真

前言

航空发动机的燃烧室

燃烧室位于高压压气机下游，高压涡轮上游。燃烧室的主要作用是把燃料中的化学能经过燃烧释放出来，转变为热能，使进入发动机的空气总焓增加，变为燃气。高能的燃气就具备了在涡轮和尾喷管做功的能力。从工程热力学的角度，燃烧室属于能量的注入和转换的装置。

航空发动机中的燃烧室

燃烧室的结构

一维燃烧模型

Altair® Flow Simulator™的一维燃烧模型旨在使用反应物的化学性质来模拟燃烧现象。燃烧元件集成了 NASA CEA 代码进行化学反应计算。CEA 代码解释了燃烧引起的焓变和随后的热量上升。Flow Simulator 可计算由于这种热量上升引起的瑞利损失 Rayleigh loss 解，以确定燃烧器的入口和出口压力以及马赫数。

一维燃烧元件

燃烧室一维仿真原理图

什么是 CEA

NASA 的 Glenn 研究中心从 1950 年便开始开发 CEA 程序(Chemical Equilibrium with Applications)，其包含 2000 多个组分的运输和热力学特性。用于计算复杂混合物的化学平衡产物浓度，热力学和传递特性。应用场景包括航空发动机、火箭推进、爆炸，激波管等。

► CEA 的主要特点：

●化学平衡计算：能够根据给定的初始条件计算出反应体系的化学平衡状态。

●热力学性质：提供广泛的化学物质的热力学数据，包括但不限于熵、焓、自由能等。

●推力与比冲：针对火箭发动机，计算特定混合比下推进剂的理论比冲。

●多环境适应性：支持不同温度、压力条件下的分析。

●自定义混合物：用户可以定义自己的化学组分来分析特定的混合物。

扩压器(Diffuser)的建模

Diffuser 元件模拟静压恢复和总压损失。压气机的排气速度一般要在 100m/s 以上，在这么高的速度下是很难组织高效燃烧的，因此需要对气流进行扩压降速，这主要通过改变流道面积来实现。一般而言，我们需要将气流的速度降至 35m/s 左右。

扩压器的位置

软件内置 3 种扩压器元件类型，最简单的一种需要输入 Cp-静压恢复系数，以及扩压器上下游的通道面积。用户也可以输入扩压效率 Eff。对于一进多出的流道，在每个支路上可以设置 Target Flow 来控制流量。

扩压器的属性菜单

简单扩压器的原理图

扩压器效率计算公式

旋流杯(Swirler Cup)的建模

旋流杯的作用是给空气一些旋转，一方面可以提高燃料-空气的混合，另一方面是创建一个涡流区域，为火焰提供一个稳定的燃烧环境，防止被高速气流吹灭。

实际的旋流杯形状非常复杂，Flow Simulator 并不直接模拟空气的漩涡，而是通过修改燃烧效率来模拟不充分混合的情况。

燃料混合和主火焰区域

旋流杯采用 Orifice 元件模拟，输入每个孔的尺寸和损失系数。Element Multiplicity Factor 模拟多孔阵列。

旋流杯 Orifice 的属性

旋流杯建模

Fuel Source 燃料单元

Fuel Source 是燃烧的边界条件，下游通常连接 Momentum Chamber。用户须输入压力，温度，流量，以及燃料的类型。用户在 Fuel Type 中不仅可以选择燃料，也可以选择氧化剂、惰性介质、混合物、复合推进剂以及制冷剂。求解器在计算过程中调用 NASA CEA 库分析燃烧产物和温度，通过求解 Rayleigh 方程考虑温度上升造成的压力损失。

Fuel Source 的属性设置

混合燃料的定义

在本例中，一个用了 6 个 Combustion Element 确保燃料完全燃烧，并用 Tube 元件相连。Tube 用于考虑燃烧室中的流通面积变化。燃烧室和机匣之间的冷却/稀释空气通过 Orifice 单元汇入燃烧区域参与反应。燃烧室出口用 Fixed Flow 单元控制流体总质量。

从仿真结果可以看到，燃料大部分是在哪些位置被消耗掉的，以及温度，压力和燃烧产物。

燃烧室的温度云图

用文本编辑器打开结果*res 文件，可以查看 CEA 反应物和生成物的详细信息。HEAT_ RELEASE 是释放的热值，F_ A_ EQUIV _ RATIO >1 代表这是富油燃烧，生成的中间产物 H 和 H2 可以继续作为下游的燃料。

燃烧室内衬温度仿真

燃烧室内衬承受着巨大的热负荷。从传热的角度分析，须考虑高温气体从内侧的对流和辐射、冷却空气从外侧的对流和辐射、内侧气膜冷却，以及内衬固体材料，包括热障涂层（Thermal Barrier Coatings）的热传导。

燃烧室内衬传热路径分析

FlowSimulator 在燃烧室模型上增加热网络模型即可模拟内衬材料温度。此时 Analysis Type 修改为 Steady State Flow + Steady State Thermal。

► 燃烧室壁面内侧对流传热建模：

● 本例中，在没有气膜冷却的壁面，Convector 单元换热系数 HTC 和换热面积设置为常数，参考温度取自 Combustion 23 号单元的下游 7 号 Chamber，即主燃区的火焰温度。

● 有气膜冷却的区域，气膜的温度和对流换热系数 HTC 都是未知变量。软件采用前馈控制器读取变量 Gauge Variables，并控制变量 Manipulated Variables，在迭代过程中从反馈值来修正控制变量。

● 编号 FFWD44 的控制器分别读取高温燃气温度和机匣冷气温度，采用内置 Python 工具编写理论公式，确定气膜参考温度，也就是热网络的边界节点，编号 BTN10 的温度。

● 编号 FFWD46 的前馈控制器读入了 5 个变量，分别是 30 号 Tube 单元 (代表燃烧室火焰通道)的流量，截面面积，直径，以及 21 号 Chamber 的高温燃气导热系数和动力粘度，采用 Python 工具编写理论公式确定气膜冷却的 HTC。

火焰筒外侧冷却的对流建模采用以上类似步骤。

燃烧室内侧对流传热建模

► 燃烧室内侧辐射传热建模：

● 无气膜冷却区域热辐射，编号 8 的 Radiator 采用简单的热辐射模型，用户须输入面积和热辐射发射率 Emissivity。

● 有气膜冷却区域的热辐射，采用编号 45 的前馈控制器，分别读取高温燃气温度和内衬固体壁面温度， 辐射热通量计算方法采用 Python 编写公式，用于控制编号 14 的 Heat Flow 单元。

燃烧室外侧的热辐射采用类似的方法建模。机匣和内衬 2 个壁面的热辐射，采用 Radiation between two surfaces 选项，用户须输入面积，发射率和辐射角系数。

燃烧室内侧辐射传热建模

► 燃烧室内衬的固体导热建模

● Material Manager 中自定义热障涂层 TBC 的材料属性。

● 内衬本体材料和 TBC 材料的热阻分别用 2 个 Conductor 创建。

自定义材料属性

燃烧室内衬的固体导热建模

求解器设定：燃烧仿真须将默认的 Working Fluid Option 改为 17/18,两者的区别仅在于空气的属性是用 CEA 材料库还是理想气体。

燃烧模型的求解器设置

求解器输出设定：求解完成后输出 CEA 文件，CEA_ EL*_ IT_ *.out 文件包含了化学平衡反应的组分信息。

燃烧模型的求解器设置

回流燃烧室的一维仿真

回流燃烧室（Reverse Flow Combustor）是一种特殊设计的燃烧室结构，其核心特点是燃烧室内的高温燃气流动方向与空气入口流动方向相反，形成“回流”路径。常用于装有离心式压气机的小型涡轮轴发动机上，例如直升机动力。

回流燃烧一维模型的搭建和常规燃烧是类似的，需要注意的是调整流动的上下游位置。

回流燃烧室一维模型

总结

Flow Simulator 集成了 NASA CEA 化学反应库，通过求解质量、动量、能量和化学组分的守恒方程，预测燃烧室内的压力、温度、流速和燃烧效率等关键参数。

适用场景

1.快速评估燃烧室整体性能（如压降、燃烧效率），优化燃料喷射策略或初步设计验证。

2.燃烧室长度优化。通过一维仿真快速评估不同燃烧室长度对燃烧效率的影响，避免“过长导致压损过大，过短导致燃烧不充分”的困境。

3.燃料分级设计。模拟主燃区与补燃区的燃料分配，平衡高功率工况的稳定性和低污染排放需求。

4.极端条件预测。在高空低氧条件下，预判燃烧室熄火风险并优化点火策略。

► 一维燃烧室仿真的优势与局限

优势

1.用“分段建模”代替复杂的多维计算，每个控制体代表一个平均状态的流动单元。计算速度比三维仿真快百倍以上，适合早期设计迭代。

2.系统级分析：可与整机性能模型（如压气机、涡轮）无缝耦合。

3.物理机制清晰：通过简化模型揭示燃烧室宏观规律（如“富油-贫油”燃烧策略的影响）。

局限

1.细节缺失：无法捕捉局部现象（如火焰稳定性、旋流涡结构）。

2.依赖经验模型：燃烧速率、湍流混合等参数需依赖实验或高维仿真校准。

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