Flow Simulator案例：航空发动机燃烧室一维仿真
Flow Simulator案例：航空发动机燃烧室一维仿真
航空发动机燃烧室是发动机的核心部件之一，其性能直接影响发动机的效率和可靠性。本文将介绍如何使用Flow Simulator软件对航空发动机燃烧室进行一维仿真，帮助工程师快速评估燃烧室性能并优化设计。
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。其主要作用是将燃料中的化学能通过燃烧释放出来，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
一维燃烧模型
Flow Simulator的一维燃烧模型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），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
CEA程序简介
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。
扩压器的建模
扩压器的主要作用是降低气流速度，为燃烧创造有利条件。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。
扩压器的位置
旋流杯的建模
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。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。
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。
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
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。一维燃烧室仿真具有计算速度快、系统级分析能力强等优势，但同时也存在细节缺失、依赖经验模型等局限性。