賈文杰

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

0 引言

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)主要包括方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證[1]。其中，初步設(shè)計(jì)階段主要采用經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法[2-5]，手工計(jì)算數(shù)目繁多的參數(shù)，工作效率低且容易出錯(cuò)；詳細(xì)設(shè)計(jì)階段主要采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對(duì)初步計(jì)算得到的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在數(shù)值求解過(guò)程中需要無(wú)數(shù)次重復(fù)“修改幾何模型-生成網(wǎng)格-設(shè)置邊界條件-求解-后處理”過(guò)程[5]。隨著計(jì)算機(jī)能力的提高，前處理環(huán)節(jié)（包括幾何建模、網(wǎng)格生成和邊界條件設(shè)置）占整個(gè)數(shù)值計(jì)算周期的時(shí)間比達(dá)到40%～80%[6]，成為制約數(shù)值計(jì)算能力提高的關(guān)鍵。

針對(duì)傳統(tǒng)燃燒室設(shè)計(jì)方法中存在的不足，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。該方法最先由Tangirala等[7]提出，用變量代替常量建立幾何模型和分析計(jì)算結(jié)果，通過(guò)簡(jiǎn)單修改模型和網(wǎng)格中的某些參數(shù)值，建立和分析新的模型，同時(shí)保持其它參數(shù)不變。采用參數(shù)化數(shù)值仿真方法可以有效解決傳統(tǒng)方法迭代計(jì)算次數(shù)多、人工介入多等問(wèn)題，顯著提高計(jì)算效率，節(jié)約時(shí)間成本和人工成本。

Dawes等[8]提出，在數(shù)值仿真技術(shù)求解精度逐漸提高的背景下，將CFD方法用于燃燒室設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸已經(jīng)不是求解器自身的模型選擇和計(jì)算結(jié)果的精度與可靠性，而是在“幾何建模-網(wǎng)格生成-求解”過(guò)程中所耗費(fèi)的巨大的時(shí)間成本和人工成本，而采用參數(shù)化方法解決上述問(wèn)題的最大難點(diǎn)在于幾何建模到網(wǎng)格生成過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳遞（Geometry Modeling And Grid Generation，GMGG）；Tangirala等[7]分析了GE公司某環(huán)形燃燒室的摻混孔和冷卻孔參數(shù)對(duì)燃燒室出口溫度分布的影響，表明采用參數(shù)化方法在單次數(shù)值仿真周期中所需時(shí)間是傳統(tǒng)方法的28%；Honeywell等[9-10]自主開發(fā)了燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)工具（Advanced Combustion Tools，ACT），涵蓋了燃燒室數(shù)值仿真的全部過(guò)程；Pegemanyfar等[11-12]也開發(fā)出一種知識(shí)工程（Knowledge Based Engineering，KBE）系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)從輸入設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)到自動(dòng)計(jì)算出幾何模型和生成網(wǎng)格、求解和后處理的全部過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)了燃燒室的一體化設(shè)計(jì)，顯著縮短了燃燒室設(shè)計(jì)周期，驗(yàn)證了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的有益效果。目前國(guó)外針對(duì)燃燒室的參數(shù)化數(shù)值仿真和一體化設(shè)計(jì)開展了大量研究[13-15]，而中國(guó)相關(guān)研究較少，仍處于起步階段。

本文針對(duì)中國(guó)在燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)方面存在的不足，開發(fā)燃燒室一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)，并對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 參數(shù)化數(shù)值仿真的難點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的參數(shù)化主要包括參數(shù)化建模、參數(shù)化網(wǎng)格生成和參數(shù)化求解及后處理3部分。目前，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化數(shù)值仿真的2大難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)各部分的參數(shù)化以及各模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。

1.1 變量的參數(shù)化

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有很多成熟的軟件用于幾何建模和求解。在前處理環(huán)節(jié)，由于燃燒室存在旋流器、火焰筒開孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要軟件具備強(qiáng)大的幾何處理能力，包括燃燒室?guī)缀文Ｐ偷慕ⅰ⑿迯?fù)、計(jì)算域的提取以及高質(zhì)量結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成能力；在求解環(huán)節(jié)，需要求解器提供豐富的物理化學(xué)模型，具有靈活的適應(yīng)性和較高的求解精度。除上述要求外，還需要各部分軟件具備腳本運(yùn)行的能力以實(shí)現(xiàn)整個(gè)參數(shù)化流程的自動(dòng)進(jìn)行。

參數(shù)化方法的另一關(guān)鍵在于控制參數(shù)的提取。燃燒室的幾何模型一般由數(shù)百個(gè)草圖點(diǎn)和曲線結(jié)合回轉(zhuǎn)、拉伸、陣列和布爾等命令生成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且參數(shù)眾多，因此無(wú)法將所有的幾何尺寸都標(biāo)記為控制變量。解決上述問(wèn)題的辦法為：將幾何模型腳本文件中的草圖點(diǎn)坐標(biāo)、曲線長(zhǎng)度等參數(shù)由常量改為變量；用表達(dá)式將幾何尺寸中不相互獨(dú)立的量相互關(guān)聯(lián)，以減少控制參數(shù)的數(shù)量；從表達(dá)式中篩選并標(biāo)記出可能需要優(yōu)化和反復(fù)修改的變量，作為最終可用的控制參數(shù)。在完成幾何模型的參數(shù)化后，采用類似方法修改并標(biāo)記出控制網(wǎng)格尺寸、邊界條件和求解模型的變量。

1.2 數(shù)據(jù)傳遞

燃燒室數(shù)值仿真過(guò)程需要CAD軟件、網(wǎng)格生成軟件和求解及后處理軟件協(xié)同進(jìn)行，但不同軟件的語(yǔ)言類型和語(yǔ)法規(guī)則不同，使得實(shí)現(xiàn)各軟件之間的參數(shù)傳遞成為燃燒室參數(shù)化數(shù)值仿真的難點(diǎn)之一。為此，本文采用Python語(yǔ)言編寫了燃燒室初步設(shè)計(jì)與參數(shù)化數(shù)值仿真軟件，作為協(xié)同初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)的一體化設(shè)計(jì)框架。針對(duì)各模塊生成了對(duì)應(yīng)的GUI界面，通過(guò)回調(diào)函數(shù)將GUI界面上的對(duì)話框輸入?yún)?shù)和腳本文件中提取出的控制變量相關(guān)聯(lián)，在對(duì)話框中修改數(shù)據(jù)即可同步更新腳本語(yǔ)言中對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)。通過(guò)Python語(yǔ)言編寫文件格式轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)了Salome軟件的Python腳本語(yǔ)言、ICEM CFD軟件的Tcl/Tk語(yǔ)言以及Fluent的Scheme語(yǔ)言之間的相互調(diào)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了軟件的初步設(shè)計(jì)模塊和參數(shù)化數(shù)值仿真模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。

2 燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 燃燒室初步設(shè)計(jì)

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室初步設(shè)計(jì)主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和氣動(dòng)熱力計(jì)算得到燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)，在給定燃燒室的性能參數(shù)和進(jìn)口條件后，確定燃燒室內(nèi)各部分的壓力損失、空氣流量分配和火焰筒上各孔的流量系數(shù)，代入經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式中計(jì)算得到燃燒室的幾何參數(shù)，如擴(kuò)壓器尺寸、參考截面（機(jī)匣橫截面最大處）尺寸、旋流器尺寸、主燃孔、摻混孔和冷卻孔參數(shù)等。燃燒室初步設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 燃燒室初步設(shè)計(jì)流程

以目前燃燒室中常用的突擴(kuò)型擴(kuò)壓器初步設(shè)計(jì)為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。突擴(kuò)型擴(kuò)壓器幾何參數(shù)主要包括面積比AR、入口段直徑W、前置擴(kuò)壓器長(zhǎng)度L、擴(kuò)張角θ和突擴(kuò)段長(zhǎng)度D。其中，突擴(kuò)段長(zhǎng)度D無(wú)法在設(shè)計(jì)階段確定，需要在數(shù)值模擬階段反復(fù)修正。

圖2 突擴(kuò)型擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)

其中，面積比AR為

根據(jù)連續(xù)性方程可得面積比AR與前置擴(kuò)壓器進(jìn)口速度u3及出口速度u3.1之間的關(guān)系

式中：A3.1和A3分別為前置擴(kuò)壓器出口段和入口段面積。

在擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)燃燒室進(jìn)口空氣流速u3確定時(shí)，便可以根據(jù)式（2）得到面積比AR。設(shè)前置擴(kuò)壓器的總壓損失為△Pdiff，根據(jù)伯努利方程

式中：p3和q3為擴(kuò)壓器進(jìn)口氣流的靜壓和動(dòng)壓頭；p3，1和q3，1為擴(kuò)壓器出口氣流的靜壓和動(dòng)壓頭。

擴(kuò)壓器的靜壓恢復(fù)系數(shù)Cp為

擴(kuò)壓器靜壓恢復(fù)系數(shù)如圖3所示。曲線CP*表示在給定的無(wú)量綱參數(shù)N/R1下，靜壓恢復(fù)系數(shù)的最大值和AR之間的關(guān)系；曲線表示在給定的面積比下，靜壓恢復(fù)系數(shù)的最大值和無(wú)量綱參數(shù)N/R1之間的關(guān)系。其中，橫坐標(biāo)中在設(shè)計(jì)階段，當(dāng)AR確定后，便可以從圖中得到最優(yōu)的無(wú)量綱參數(shù)N/R1，代入式（1）中即可得到擴(kuò)壓器的幾何參數(shù)。

圖3 擴(kuò)壓器靜壓恢復(fù)系數(shù)

2.2 參數(shù)化幾何建模

目前，中國(guó)在燃燒室參數(shù)化幾何建模方面主要應(yīng)用的商業(yè)軟件為UG，但其生成的模型無(wú)法與網(wǎng)格生成軟件相互關(guān)聯(lián)，只能用于燃燒室?guī)缀瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生任何變化時(shí)的參數(shù)化數(shù)值仿真，局限性很大，因此本文選擇開源軟件Salome作為參數(shù)化前處理工具。

Salome軟件具備通過(guò)Python腳本語(yǔ)言運(yùn)行的能力，在建立幾何模型時(shí)，首先采用交互式圖形界面操作的方法生成對(duì)應(yīng)幾何模型的腳本文件，然后修改腳本文件并標(biāo)記出特征參數(shù)，該方法相比根據(jù)Salome軟件的語(yǔ)法規(guī)則手動(dòng)編寫幾何模型可以顯著縮短建模時(shí)間，這也是該軟件優(yōu)于其它CAD軟件的特征之一。參數(shù)化建模流程如圖4所示。

圖4 參數(shù)化建模流程

第1步，在軟件中采用交互式方法創(chuàng)建燃燒室的幾何模型。為了避免燃燒室結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成約束過(guò)度的問(wèn)題，采用模塊化建模的方法，將燃燒室分為火焰筒、旋流器和機(jī)匣3個(gè)模塊單獨(dú)建模，分別錄制各模塊的腳本文件。燃燒室模塊化建模流程如圖5所示。采用這種方法還可以提高腳本文件的通用性，為各種常用結(jié)構(gòu)的火焰筒和旋流器生成模板文件并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，排列組合后可以快速生成多個(gè)燃燒室模型。

圖5 燃燒室模塊化建模流程

第2步，將腳本文件中的幾何尺寸參數(shù)化。腳本文件中包含數(shù)百個(gè)與燃燒室結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，需要使用表達(dá)式和變量對(duì)燃燒室中的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。例如，在生成，2級(jí)旋流器葉片草圖時(shí)，用于確定某2級(jí)葉片尺寸和位置的4個(gè)草圖點(diǎn)在原始腳本中表示為

pt_1=geompy.MakeVertex（2，4.5，0）

pt_2=geompy.MakeVertex（10，-4.5，0）

pt_3=geompy.MakeVertex（10，-3.5，0）

pt_4=geompy.MakeVertex（2，3.5，0）

可見在原始腳本文件中，葉片是由4個(gè)相互獨(dú)立的草圖點(diǎn)約束，需要通過(guò)手動(dòng)計(jì)算才能得到葉片的長(zhǎng)度、寬度和安裝角等參數(shù)，不便于控制參數(shù)的修改，使用參數(shù)化方法將程序修改為

d_2=0.5

1_2=4

degree_2=-45

Ang_2=math.pi*（degree_2/180）

pt_blade_2_mid_point_2=geompy.MakeVertex（6，-d_2，0）

pt_blade_2_stg_2=geompy.MakeVertex（6+l_2，l_2*math.tan（Ang_2）-d_2，0）

pt_blade_2_stg_3=geompy.MakeVertex（6+l_2，l_2*math.tan（Ang_2）+d_2，0）

pt_blade_2_stg_4=geompy.MakeVertex（6-l_2，-1*l_2*math.tan（Ang_2）+d_2，0）

在上述語(yǔ)句中，2級(jí)旋流器葉片厚度D_2=2*d_2；2級(jí)旋流器葉片長(zhǎng)度L_2=2*l_2；Ang_2和ang_2分別表示弧度制和角度制下的2級(jí)旋流器葉片安裝角，通過(guò)給d_2和l_2賦不同的值，即可完成對(duì)旋流器葉片參數(shù)的修改，然后重新運(yùn)行腳本文件即可生成新的模型，部分可以修改為變量的幾何參數(shù)及其關(guān)聯(lián)的表達(dá)式見表1。

表1 部分可以修改為變量的幾何參數(shù)及其關(guān)聯(lián)的表達(dá)式

第3步，為生成的幾何體劃分邊界并導(dǎo)出幾何模型。本文主要通過(guò)Salome軟件的“explode”命令和“group”命令為幾何模型劃分邊界，“explode”命令的函數(shù)表述為geompy.SubShape AIIIDs（Shape，Type），用于將實(shí)體拆分為片體并編號(hào)分類；“group”命令的函數(shù)表達(dá)為geompy.CreateGroup（Shape Name，Shape Type[“FACE”]），用于將相同或不同性質(zhì)的幾何體組合為1個(gè)組，具體實(shí)現(xiàn)思路為：使用“explode”命令將燃燒室實(shí)體幾何模型拆分為片體，然后使用“group”命令根據(jù)邊界條件將片體整合為多個(gè)組，不同的組對(duì)應(yīng)不同的邊界，如：“air_inlet”、“symmetry”以及“pressure_outlet”等，最后將不同的組分別導(dǎo)出為.stl格式的幾何文件，從Salome中導(dǎo)出的組以及在ICEM CFD中自動(dòng)識(shí)別出的邊界條件如圖6、7所示。從圖中可見，Salome中劃分的組可以與ICEM CFD中的邊界條件準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

圖6 從Salome中導(dǎo)出的組

圖7 邊界條件

2.3 參數(shù)化網(wǎng)格生成

本文使用商業(yè)軟件ICEM CFD作為參數(shù)化網(wǎng)格生成工具。ICEM腳本文件即.rpl語(yǔ)言，用于記錄網(wǎng)格生成過(guò)程中的完整操作信息，其生成網(wǎng)格的部分語(yǔ)言表示為

ic_geo_set_family_params TOP_AND_BOTTOM.1 prism 1 emax 6.0 ehgt 0.2 hrat 1.2 nlay 4 erat 0 ewid 0 emin 0.0 edev 0.0 prism_height_limit 0 law-1 split_wall 0 internal_wall 0

腳本中包含了邊界選擇（TOP_AND_BOTTOM）、邊界層初始高度（ehgt 0.2）和邊界層生長(zhǎng)率（hrat 1.2）等網(wǎng)格生成過(guò)程中的全部?jī)?nèi)容。在網(wǎng)格生成過(guò)程中，提取可能需要多次修改的變量設(shè)置為自定義變量，并在設(shè)計(jì)平臺(tái)中設(shè)置對(duì)應(yīng)的輸入框，ICEM CFD中可變的控制參數(shù)見表2。當(dāng)需要修改網(wǎng)格參數(shù)時(shí)，可以通過(guò)主程序與腳本之間的數(shù)據(jù)接口在主程序用戶界面上的對(duì)話框中修改，保存后運(yùn)行腳本即可重新生成網(wǎng)格。

表2 ICEM CFD中可變的控制參數(shù)

2.4 參數(shù)化求解及后處理

本文中選擇的參數(shù)化求解及后處理工具為商業(yè)軟 件Fluent。Fluent可 以使用Scheme語(yǔ)言編寫的日志文件來(lái)自動(dòng)執(zhí)行運(yùn)算，非常適用于執(zhí)行一系列具有相似參數(shù)和邊界條件的模型計(jì)算。只需要手動(dòng)設(shè)置某一工況的參數(shù)，在執(zhí)行其余相似工況的燃燒室數(shù)值計(jì)算時(shí)，重新運(yùn)行日志文件即可重復(fù)所有與求解器設(shè)置相關(guān)的操作。

除了執(zhí)行運(yùn)算，F(xiàn)luent還具備強(qiáng)大的后處理功能，可以方便快捷地顯示流場(chǎng)區(qū)域，創(chuàng)建等值線云圖、矢量圖、動(dòng)畫和視頻等。在完成計(jì)算后，錄制顯示計(jì)算結(jié)果和流場(chǎng)分析的日志文件，然后重新運(yùn)行即可顯示并輸出計(jì)算結(jié)果。

3 一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)主要用于燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，并結(jié)合參數(shù)化數(shù)值仿真對(duì)零維計(jì)算得到的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終輸出可以用于試驗(yàn)研究的燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)。

3.1 軟件功能

根據(jù)燃燒室設(shè)計(jì)流程與要求，本軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)的主要功能為：

（1）輸入燃燒室性能參數(shù)與進(jìn)口條件，得到燃燒室部分氣動(dòng)參數(shù)；

（2）燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括擴(kuò)壓器、參考截面、旋流器和火焰筒開孔等設(shè)計(jì)；

（3）參數(shù)化數(shù)值仿真過(guò)程中幾何參數(shù)和網(wǎng)格參數(shù)的修改、軟件和程序的后臺(tái)運(yùn)行和調(diào)用，計(jì)算結(jié)果的顯示；

（4）不同格式文件的數(shù)據(jù)傳遞、調(diào)用和保存。

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

燃燒室參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)采用Python語(yǔ)言的Tkinter模塊定制生成。燃燒室一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面（如圖8所示）主要由位于頂部的菜單欄、左側(cè)的導(dǎo)航窗口與中間的計(jì)算窗口3部分組成。

圖8 燃燒室一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面

導(dǎo)航窗口主要分為燃燒室初步設(shè)計(jì)和參數(shù)化數(shù)值仿真2個(gè)模塊，各部分均按照設(shè)計(jì)流程的順序依次排布。為了便于使用、修改和維護(hù)，按模塊化編程的思路進(jìn)行軟件GUI設(shè)計(jì)，將計(jì)算窗口分為性能參數(shù)計(jì)算、擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)、燃燒室參考截面設(shè)計(jì)、旋流器設(shè)計(jì)、火焰筒開孔設(shè)計(jì)、參數(shù)化幾何以及參數(shù)化網(wǎng)格與求解幾部分，在使用時(shí)分別按順序點(diǎn)擊左側(cè)導(dǎo)航欄，就會(huì)彈出對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)窗口，輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)后，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕得到對(duì)應(yīng)的輸出參數(shù)，然后點(diǎn)擊“保存”按鈕將數(shù)據(jù)保存至EXCEl文件中。

3.3 不同模塊間的數(shù)據(jù)傳遞

燃燒室初步設(shè)計(jì)與參數(shù)化數(shù)值仿真方法的主要難點(diǎn)之一在于不同模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)傳遞流程如圖9所示。在實(shí)際的燃燒室設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要各模塊和函數(shù)之間相互調(diào)用。例如，在燃燒室初步設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，火焰筒開孔設(shè)計(jì)和旋流器設(shè)計(jì)均與參考截面參數(shù)相關(guān)，因此需要在程序中實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)模塊的參數(shù)傳遞。

圖9 數(shù)據(jù)傳遞流程

在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用global語(yǔ)句將函數(shù)中的局部變量放入全局作用域，然后使用import語(yǔ)句將包含全局變量的程序模塊導(dǎo)入程序中，導(dǎo)入模塊和全局變量的部分語(yǔ)句如下：

from parametric_1 import p1，p3，p4，q3#從parametric_1模塊導(dǎo)入全局變量

def calculate_3（）：#計(jì)算燃燒室參考截面的函數(shù)

global s1#將流阻系數(shù)定義為全局變量

s1=float（obstacle.get（））

s2=float（refdiam.get（））

s3=float（ang.get（））

s4=float（arate.get（））

global s5#Aref面積，將其定義為全局變量

s5=math.sqrt（287.04/2*（p1*math.sqrt（p4）/p3）**2*s1*（q3**-1））*1000000 global s6 # AL面積

4 軟件有效性驗(yàn)證

在完成軟件設(shè)計(jì)后，需要對(duì)軟件的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。燃燒室扇段主要性能參數(shù)見表3。

表3 燃燒室扇段主要性能參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的燃燒室為帶3級(jí)直葉片軸向旋流器的環(huán)形燃燒室，無(wú)主燃孔和摻混孔，除冷卻氣體外的其余氣體全部從頭部進(jìn)入。取燃燒室的1/12進(jìn)行研究，燃燒室和旋流器的幾何結(jié)構(gòu)分別如圖10、11所示。

圖10 燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)

圖11 旋流器幾何結(jié)構(gòu)（剖視）

為了驗(yàn)證軟件的有效性，在計(jì)算得到燃燒室的幾何模型后，分別探究了第1級(jí)旋流器葉片安裝角、第3級(jí)旋流器葉片安裝角和冷卻孔直徑對(duì)燃燒室出口溫度分布系數(shù)（Overall Temperature Distribution Factor，OTDF）的影響，數(shù)值計(jì)算方案劃分如圖12所示。計(jì)算采用基于壓力的求解器，湍流模型為RealizableK-ε 2方程模型，燃料為航空煤油（C12H23）。燃燒模型為非預(yù)混燃燒中的混合分?jǐn)?shù)/PDF模型，使用DPM模型模擬燃油噴射，粒徑分布服從R-R分布，使用質(zhì)量流量入口和壓力出口邊界條件。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，所有計(jì)算方案的網(wǎng)格數(shù)量均大于495萬(wàn)。

圖12 數(shù)值計(jì)算方案劃分

4.1 第1級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒室出口參數(shù)的影響

不同第1級(jí)葉片安裝角方案的回流區(qū)輪廓如圖13所示。雖然根據(jù)理論計(jì)算，葉片安裝角為30°時(shí)第1級(jí)旋流器的旋流數(shù)為0.495，不滿足常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)中要求各級(jí)旋流器旋流數(shù)≥0.6[5]的條件，在5種方案下都形成了穩(wěn)定的回流區(qū)。文獻(xiàn)[16]分別研究了在冷態(tài)和熱態(tài)環(huán)境中，內(nèi)級(jí)旋流器旋流數(shù)為0.5、外級(jí)旋流器旋流數(shù)分別為±0.56時(shí)，旋流器出口流場(chǎng)的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)在2級(jí)旋流器反向時(shí)，在冷態(tài)和熱態(tài)中均出現(xiàn)了回流區(qū)，與本文中的計(jì)算結(jié)果相符，說(shuō)明單級(jí)旋流器和多級(jí)旋流器的流動(dòng)特征不同，旋流數(shù)不是判斷燃燒室中能否形成回流區(qū)的充要條件。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮旋流數(shù)和進(jìn)口氣流Re的影響，還需要考慮各級(jí)旋流器之間的相互作用，文獻(xiàn)[16]也印證了這一結(jié)論。

圖13 不同第1級(jí)葉片安裝角方案的回流區(qū)輪廓

不同第1級(jí)葉片安裝角方案下燃燒室出口參數(shù)如圖14所示。從圖中可見，保持第3級(jí)旋流器葉片安裝角為45°，冷卻孔直徑為2 mm不變，在第1級(jí)旋流器葉片安裝角為30°時(shí)，回流區(qū)軸向尺寸較大，使得燃燒不充分，在燃燒室出口產(chǎn)生局部高溫區(qū)（超過(guò)2400 K），造成溫度分布不均勻；當(dāng)?shù)?級(jí)旋流器葉片安裝角為60°時(shí)，回流區(qū)更靠近火焰筒入口，高溫區(qū)遠(yuǎn)離燃燒室出口，導(dǎo)致出口平均溫度過(guò)低，OTDF較大。結(jié)合出口溫度分布要求，本文中第1級(jí)旋流器葉片安裝角最佳取值范圍為45°～50°。

圖14 不同第1級(jí)葉片安裝角方案下燃燒室出口參數(shù)

4.2 第3級(jí)葉片安裝角對(duì)燃燒室出口參數(shù)的影響

上述計(jì)算中得到的出口OTDF最小值為0.264，超過(guò)設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化，不同第3級(jí)葉片安裝角方案中燃燒室出口參數(shù)如圖15所示。

圖15 不同第3級(jí)葉片安裝角方案中燃燒室出口參數(shù)

從圖中可見，當(dāng)?shù)?級(jí)旋流器葉片安裝角為45°～60°時(shí)，燃燒室出口OTDF基本保持不變。不同方案中火焰筒內(nèi)燃油質(zhì)量Q分?jǐn)?shù)分布如圖16所示。從圖中可見，隨著第3級(jí)葉片安裝角的增大，燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿徑向擴(kuò)張角增大，沿軸向貫穿距離減小，霧化性能增強(qiáng)，燃油分布更加合理；當(dāng)葉片安裝角為45°～50°時(shí)，燃油得到充分霧化擴(kuò)散，且未打到火焰筒壁面上，燃油分布最為合理。因此本方案中第3級(jí)旋流器葉片安裝角的最佳范圍為45°～50°。

圖16 不同方案中火焰筒內(nèi)燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

4.3 冷卻孔徑對(duì)燃燒室出口參數(shù)的影響

在優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)過(guò)程中，為了限制網(wǎng)格數(shù)量，選擇冷卻孔直徑為2 mm，大于常規(guī)燃燒室的氣膜冷卻孔直徑，導(dǎo)致最終計(jì)算得到的出口OTDF的最小值為0.264，不滿足燃燒室設(shè)計(jì)需求。為了進(jìn)一步優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)試軟件對(duì)于冷卻孔的參數(shù)化能力，分析了冷卻孔直徑對(duì)燃燒室出口溫度的影響。在冷卻孔直徑分別為2.0、1.5和1.2 mm時(shí)，燃燒室出口參數(shù)如圖17所示。從圖中可見，隨著冷卻孔直徑減小，燃燒室OTDF接近設(shè)計(jì)要求，這是由于隨著冷卻孔直徑減小，數(shù)量增加，冷卻效果增強(qiáng)且與主流摻混較為充分，使得燃油燃燒更加充分，出口溫度分布得到顯著優(yōu)化。

圖17 不同冷卻孔直徑時(shí)燃燒室出口參數(shù)

在驗(yàn)證軟件有效性過(guò)程中，對(duì)比統(tǒng)計(jì)了傳統(tǒng)方法和參數(shù)化方法在數(shù)值求解過(guò)程中消耗的時(shí)間，見表4（表中為多次計(jì)算方案中消耗時(shí)間的均值）。從表中可見，采用參數(shù)化方法可以顯著縮短數(shù)值計(jì)算周期，驗(yàn)證了本文提出的參數(shù)化方法的有益效果。

表4 傳統(tǒng)方法和參數(shù)化方法的時(shí)間對(duì)比

5 結(jié)論

（1）提出一種參數(shù)化燃燒室設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)將燃燒室初步設(shè)計(jì)過(guò)程需要多次修改的參數(shù)改為變量并提取出來(lái)，使用Python編程實(shí)現(xiàn)了從幾何建模、網(wǎng)格生成到求解和后處理環(huán)節(jié)的完全自動(dòng)化，建立了燃燒室的一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)；

（2）通過(guò)該平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種帶直葉片3級(jí)旋流器的燃燒室?guī)缀文Ｐ?，并使用參?shù)化數(shù)值仿真方法對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的燃燒室出口OTDF降為0.235，接近設(shè)計(jì)要求值0.2；

（3）通過(guò)計(jì)算分析，使用參數(shù)化數(shù)值仿真方法能夠?qū)⒔r(shí)間縮短為原來(lái)的1.4%，網(wǎng)格生成時(shí)間縮短為原來(lái)的25%，求解時(shí)間縮短為原來(lái)的13.3%，驗(yàn)證了本文中提出的參數(shù)化數(shù)值仿真方法的有益效果和一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)的可靠性。