段冬霞，崔玉峰，聶超群

（中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（工程熱物理研究所），北京 100190）

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法研究

段冬霞，崔玉峰，聶超群

（中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（工程熱物理研究所），北京 100190）

本文在傳統(tǒng)CFD方法的基礎(chǔ)上梳理了燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法的思路，該方法將變量參數(shù)化，使功能模塊間無(wú)縫關(guān)聯(lián)，對(duì)燃燒室進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整算法改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)行CFD計(jì)算，因此能大大縮短燃燒室的CFD設(shè)計(jì)周期，而且通過(guò)不斷積累經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式、調(diào)整算法和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其功能將更加強(qiáng)大。然后在成熟軟件的基礎(chǔ)上，通過(guò)UG／Open API、ANSYSWorkbench腳本以及C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了這種參數(shù)化的CFD設(shè)計(jì)方法，之后通過(guò)算例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性和高效性。最后簡(jiǎn)述了該方法在實(shí)際的燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中的三種應(yīng)用，充分證明了參數(shù)化CFD方法在燃燒室設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室；參數(shù)化；CFD；設(shè)計(jì)方法

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)在相互矛盾的設(shè)計(jì)要求之間尋找折中方案的困難工作［1］。其設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜不斷發(fā)展的過(guò)程，主要包括經(jīng)驗(yàn)方法［2］、半經(jīng)驗(yàn)方法、半分析方法［3］、半分析機(jī)理方法［4］、混合模擬方法和CFD方法。隨著對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)要求的不斷提高，CFD方法越來(lái)越受到重視，并取得了重要進(jìn)展。然而在燃燒室CFD設(shè)計(jì)的過(guò)程中，經(jīng)常需要改變?nèi)紵业慕Y(jié)構(gòu)，為此就得重新建立幾何模型、生成網(wǎng)格、前處理（包括建立物理模型，設(shè)定邊界條件、初始條件、收斂判據(jù)）、進(jìn)行計(jì)算及后處理，有時(shí)還需要采用新的物理模型或者改變運(yùn)行工況。這些工作不僅使得研究設(shè)計(jì)人員陷入頻繁重復(fù)的操作中，容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，而且使得燃燒室數(shù)值模擬的周期過(guò)長(zhǎng)，阻礙了CFD方法在燃燒室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［5－7］。

參數(shù)化數(shù)值模擬方法是解決上述問(wèn)題的最好方法。Tangirala等人［8］最早提出了參數(shù)化模擬方法，分析了一個(gè)單環(huán)GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室兩個(gè)與幾何相關(guān)的參數(shù)對(duì)出口溫度場(chǎng)的影響；Malecki等人［9－10］也采用參數(shù)化模擬方法對(duì)PW6000燃燒室進(jìn)行模擬，都證明了該方法可以大大縮短模擬的周期；Motsamai等人［11］、Pegemanyfar等人［12－13］指出在參數(shù)化模擬的基礎(chǔ)上引入優(yōu)化算法可以進(jìn)一步縮短燃燒室的設(shè)計(jì)周期。盡管?chē)?guó)外的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)已經(jīng)在這方面開(kāi)展了大量的研究工作，但公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)基本僅限于介紹性內(nèi)容，不涉及實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，而且在自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面研究還未深入。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少，還處于起步階段。

本文首先在傳統(tǒng)CFD方法的基礎(chǔ)上整理了燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法的思路，然后在現(xiàn)有成熟軟件UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post的基礎(chǔ)上，通過(guò)UG／Open API、ANSYSWorkbench腳本以及C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了這種參數(shù)化的CFD設(shè)計(jì)方法，之后通過(guò)簡(jiǎn)單算例驗(yàn)證了該方法的可行性和高效性，最后簡(jiǎn)述了該方法在實(shí)際的燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中的三個(gè)應(yīng)用，充分證明了參數(shù)化CFD方法在燃燒室設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。

1 思路

根據(jù)燃燒室設(shè)計(jì)的特點(diǎn)梳理了參數(shù)化方法的流程，如圖1所示，包括七大功能模塊：

a．初步設(shè)計(jì)：其主要功能是根據(jù)燃燒室設(shè)計(jì)要求采用一維氣動(dòng)分析方法確定擴(kuò)壓器、旋流器、火焰筒及其冷卻的結(jié)構(gòu)類型、尺寸，并獲得燃燒室沿程氣動(dòng)熱力參數(shù)分布，完成燃燒室的總體設(shè)計(jì)。

b．三維流場(chǎng)的參數(shù)化幾何建模：建立燃燒室的實(shí)體幾何模型能進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算，但不能進(jìn)行流場(chǎng)的計(jì)算，所以還需要?jiǎng)?chuàng)建燃燒室對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)計(jì)算域的幾何模型；而幾何參數(shù)化是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。

c．劃分網(wǎng)格：流場(chǎng)計(jì)算域幾何模型必須經(jīng)過(guò)劃分網(wǎng)格才能進(jìn)行CFD計(jì)算，不僅要求網(wǎng)格的質(zhì)量滿足計(jì)算的精度，得到與網(wǎng)格無(wú)關(guān)的解，而且要求對(duì)復(fù)雜幾何模型改型設(shè)計(jì)時(shí)，能快速自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分，該模塊的功能就是快速自動(dòng)生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

d．前處理：計(jì)算前的主要處理工作包括建立湍流、傳熱、燃燒等各種數(shù)理模型，設(shè)定進(jìn)出口等邊界條件，設(shè)定初始條件，以及設(shè)置計(jì)算收斂判據(jù)等。

e．計(jì)算：在上述模塊的基礎(chǔ)上，計(jì)算的運(yùn)行過(guò)程，無(wú)論是傳統(tǒng)的方法還是參數(shù)化方法，這個(gè)過(guò)程是一樣的。

f．后處理：計(jì)算后獲得流場(chǎng)的壓力、速度、溫度等數(shù)據(jù)，該模塊的功能就是通過(guò)定義一些數(shù)學(xué)函數(shù)得到想要的數(shù)據(jù)，例如在燃燒室出口截面上應(yīng)用流量平均計(jì)算函數(shù)得到燃燒室的OTDF（出口溫度分布系數(shù)）。

g．調(diào)整算法：根據(jù)計(jì)算得到的燃燒室性能對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，是連接當(dāng)前設(shè)計(jì)方案與改進(jìn)方案的橋梁。

與傳統(tǒng)方法相比，燃燒室參數(shù)化的CFD設(shè)計(jì)方法具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1）相鄰功能模塊間無(wú)縫關(guān)聯(lián)，不再需要導(dǎo)入導(dǎo)出不同類型的文件。

2）增加燃燒室初步設(shè)計(jì)功能，減少燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中修改的次數(shù)，而且可以不斷完善此模塊的功能，逐步提高初步設(shè)計(jì)的可靠性。

3）嵌入調(diào)整算法，根據(jù)計(jì)算得到的燃燒室性能修改燃燒室，并對(duì)改進(jìn)后的燃燒室自動(dòng)進(jìn)行CFD計(jì)算，直到燃燒室的性能滿足設(shè)計(jì)要求為止。

4）在上述優(yōu)點(diǎn)的綜合作用下，避免了大量的重復(fù)操作，大大縮短燃燒室的CFD設(shè)計(jì)周期，而且通過(guò)不斷積累經(jīng)驗(yàn)、繼承方法、建立數(shù)據(jù)庫(kù)，可以進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)周期。

2 實(shí)現(xiàn)

根據(jù)燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法的思路，該方法的具體實(shí)現(xiàn)可謂見(jiàn)仁見(jiàn)智，作者認(rèn)為圖1中b、c、d、e、f的功能龐大，可以充分利用現(xiàn)有的成熟軟件，因此分別選用了UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post完成對(duì)應(yīng)功能，如圖2所示。UG提供參數(shù)化設(shè)計(jì)的建模方法，通過(guò)草圖繪制、成型特征定義幾何約束、尺寸約束，自動(dòng)維護(hù)特征間的關(guān)聯(lián)，并以表達(dá)式的形式存儲(chǔ)幾何特征參數(shù)，能夠滿足b的要求［14］。ICEM CFD能有效劃分非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。FLUENT可以通過(guò)Scheme腳本語(yǔ)言控制物理模型、邊界條件、初始條件以及整個(gè)計(jì)算過(guò)程。在CFD-Post中使用數(shù)學(xué)函數(shù)、積分函數(shù)、物理變量、幾何面體來(lái)建立表達(dá)式，用表達(dá)式計(jì)算燃燒室性能參數(shù)［15］。而a、g的功能則根據(jù)燃燒室的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式通過(guò)C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post所生成的文件的類型是不同的，如何避免不同類型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出，使它們無(wú)縫關(guān)聯(lián)是至關(guān)重要的。UG／Open API是UG與外部應(yīng)用程序之間的接口，它提供了一系列函數(shù)，通過(guò)C語(yǔ)言編程調(diào)用這些函數(shù)，幾乎能實(shí)現(xiàn)所有的UG功能［16］，更重要的是可以將a得到的幾何參數(shù)傳遞到b，用幾何參數(shù)控制流場(chǎng)幾何模型。在ANSYSWorkbench軟件平臺(tái)上，ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post之間順序無(wú)縫關(guān)聯(lián)，并可以通過(guò)Workbench腳本語(yǔ)言進(jìn)行控制。而且UG與Workbench之間有數(shù)據(jù)接口，所以利用UG／Open API和Workbench腳本通過(guò)C語(yǔ)言編程可以實(shí)現(xiàn)燃燒室參數(shù)化的CFD設(shè)計(jì)方法。

3 驗(yàn)證

燃燒室的結(jié)構(gòu)和部件多種多樣，設(shè)計(jì)要求也很多，為了簡(jiǎn)化研究，選擇了一個(gè)簡(jiǎn)單的筒形回流燃燒室為研究對(duì)象，頭部有一軸向旋流器，僅考慮主燃孔、補(bǔ)燃孔和摻混孔，而忽略冷卻結(jié)構(gòu)，如圖3所示。采用參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法，燃燒室的設(shè)計(jì)參數(shù)包括：入口空氣總溫、總壓、流量，總壓損失系數(shù)；幾何參數(shù)包括：燃燒室參考截面直徑，火焰筒長(zhǎng)度、直徑，主燃孔、補(bǔ)燃孔和摻混孔的直徑及數(shù)目；性能參數(shù)包括：流量分配規(guī)律、總壓恢復(fù)系數(shù)。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)調(diào)整開(kāi)孔面積滿足總壓損失和流量分配要求。驗(yàn)證的內(nèi)容有：1）初步設(shè)計(jì)程序，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)得到幾何參數(shù)，確定燃燒室初步設(shè)計(jì)方案；2）調(diào)整算法，根據(jù)當(dāng)前方案的流量分配、總壓損失與主燃孔、補(bǔ)燃孔和摻混孔開(kāi)孔面積的關(guān)系，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案；3）遍歷參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法的整個(gè)流程。兩個(gè)驗(yàn)證算例，其設(shè)計(jì)參數(shù)、主要經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和幾何參數(shù)如表1所示。調(diào)整算法的流程如圖4所示，其中Ai為面i的面積，Δp為總壓損失，Δp0為設(shè)計(jì)總壓損失，cm0i為面i的設(shè)計(jì)流量系數(shù)。

兩個(gè)算例通過(guò)參數(shù)化CFD模擬得到的性能與設(shè)計(jì)要求的偏差隨著方案調(diào)整次數(shù)的變化趨勢(shì)分別如圖5和圖6所示。兩個(gè)算例初始設(shè)計(jì)方案的性能與設(shè)計(jì)要求的偏差都大于5%，但小于16%，偏差并不大，說(shuō)明初始設(shè)計(jì)較合理；算例1經(jīng)過(guò)一次調(diào)整計(jì)算，得到了偏差均小于5%的方案；算例2經(jīng)過(guò)兩次調(diào)整計(jì)算，得到了偏差均小于5%的方案，說(shuō)明調(diào)整算法是有效的。

如表2所示，對(duì)于算例1而言，采用參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法所需要的操作時(shí)間是相當(dāng)?shù)?。參?shù)化CFD設(shè)計(jì)方法在編寫(xiě)腳本文件、C語(yǔ)言編程、建立參數(shù)化幾何模型三個(gè)方面需要花費(fèi)大量的時(shí)間。而且燃燒室越復(fù)雜，幾何參數(shù)越多，建立參數(shù)化幾何模型所需的時(shí)間也越多；燃燒室設(shè)計(jì)參數(shù)越多、越嚴(yán)格，性能參數(shù)越不容易滿足，調(diào)整算法就越復(fù)雜，編程所需時(shí)間也就越多。這時(shí)參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法相比優(yōu)勢(shì)并不明顯，甚至可能還要花費(fèi)更多的時(shí)間。然而再看算例2，如表3所示，參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法僅需花費(fèi)0．5h來(lái)修改設(shè)計(jì)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，之后所有設(shè)計(jì)過(guò)程即可自動(dòng)進(jìn)行，相比傳統(tǒng)方法所需的18h，優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。這是因?yàn)樗憷?與算例1是一個(gè)燃燒室類的不同實(shí)例，所用的參數(shù)和方法相同，僅在參數(shù)取值上有所不同?？梢?jiàn)參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法是可行的和高效的。

4 應(yīng)用

4．1 比較雙級(jí)旋流器不同幾何參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響

研究雙級(jí)旋流器四個(gè)幾何參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響，四個(gè)幾何參數(shù)分別為：一級(jí)旋流器斜切孔的周向傾斜角、直徑，二級(jí)旋流器葉片安裝角、出口外半徑。不同幾何參數(shù)組合成了19種設(shè)計(jì)方案，采用參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法，快速比較了各個(gè)方案對(duì)流場(chǎng)的影響，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)參考文獻(xiàn)［17］。表4比較了參數(shù)化CFD方法與傳統(tǒng)方法所需要的操作時(shí)間，可見(jiàn)幾何參數(shù)越多，設(shè)計(jì)方案越多，參數(shù)化方法用于方案比較時(shí)的優(yōu)勢(shì)也越明顯。

4．2 某型燃燒室開(kāi)孔規(guī)律迭代設(shè)計(jì)

某型燃燒室火焰筒有兩種冷卻結(jié)構(gòu)：發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)和沖擊冷卻結(jié)構(gòu)。采用參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法，分別設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔規(guī)律，然后比較兩種結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布。首先建立兩種冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的參數(shù)化的流場(chǎng)幾何模型，如圖7所示。采用圖4所示的算法調(diào)整幾何參數(shù)滿足流量分配和總壓的設(shè)計(jì)要求。最后得到的兩種冷卻結(jié)構(gòu)的速度分布如圖8所示。如表5和表6所示，相對(duì)傳統(tǒng)方法而言，參數(shù)化方法能大大縮短設(shè)計(jì)的周期。

4．3 某型燃燒室不同工況性能比較

某型燃燒室在四個(gè)典型工況下運(yùn)行，如表7所示，采用參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法，用工況參數(shù)來(lái)控制邊界條件和初始條件，進(jìn)行計(jì)算，得到不同工況下的性能參數(shù)（表8）以及溫度分布（圖9）。表9比較了兩種方法所需的操作時(shí)間，可見(jiàn)前后處理越復(fù)雜，比較的工況越多，參數(shù)化CFD方法相對(duì)傳統(tǒng)方法越節(jié)省操作時(shí)間。

5 結(jié)論

本文首先綜述了燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法的思路，該方法包括七大功能模塊：初步設(shè)計(jì)、三維流場(chǎng)的參數(shù)化幾何建模、網(wǎng)格劃分、前處理、計(jì)算、后處理以及調(diào)整算法。然后在成熟軟件UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post的基礎(chǔ)上，通過(guò)UG／Open API、ANSYSWorkbench腳本以及C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了這種參數(shù)化的CFD設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)算例驗(yàn)證了這種實(shí)現(xiàn)手段的可行性和參數(shù)化方法的高效性。最后簡(jiǎn)述了該方法在實(shí)際的燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中的三種應(yīng)用：1）快速比較燃燒室及其部件的不同幾何參數(shù)方案，2）自動(dòng)迭代設(shè)計(jì)火焰筒開(kāi)孔規(guī)律以滿足流量分配和總壓損失要求，3）快速比較燃燒室不同工況下的性能，充分證明了參數(shù)化CFD方法在燃燒室設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。

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Parametric CFD Design M ethod of Gas Turbine Combustors

DUAN Dong-Xia，CUIYu-Feng，NIE Chao-Qun
（Key Laboratory of Advanced Energy and Power，Chinese Academy of Science（Institute of Engineering Thermophysics），Beijing 100190，China）

Firstly，the implement roadmap of thismethod is described based on traditional CFDmethod，in which all functionalmodules are seamlessly connected together through parametric variables and the combustor structures can be improved by adopting adjustment algorithms based on the preliminary design scheme．Also，CFD analysis of the improved scheme can be carried outautomatically．Furthermore，its functions will bemore powerful through the accumulation of empirical relationships，adjustment algorithms and structure data．Secondly，thismethod is realized by applying UG／Open API，ANSYSWorkbench scripts and C programming based on some commercial softwares．Then its feasibility and high efficiency are demonstrated through a case．Finally，three applications of themethod in the actual combustor design process are briefly described，which prove the advantages of the parametric CFD designmethod of gas turbine combustors．

gas turbine combustor；parametric；CFD；designmethod

TK472

A

1009- 2889（2014）02- 0008- 06

2013- 09- 02改稿日期：2013- 09- 29

工業(yè)和信息化部民用飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究課題。

段冬霞（1985-），女，工學(xué)碩士，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室參數(shù)化建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究．E-mail：dongxiaduan＠126．com。