快速、精准：Flownex 在 E3 燃烧室设计中的应用与验证

1.摘要及关键词

摘要：燃烧室的初期设计需要对大量的几何形状以及运行环境进行评估和比较。在此阶段，设计师关注的关键参数通常包括进气孔的质量流量分布、伴随的压力损失以及壁面温度等。Flownex基于流体网络法，对设计迭代过程进行仿真分析所需的时间相比三维CFD方法少几个数量级，可以节约大量的时间成本，而且Flownex的计算结果还可以作为后续详细设计阶段三维CFD仿真的计算边界条件。本文基于一维热流体系统仿真软件Flownex，对E3核心机燃烧室的流动、燃烧和传热过程进行仿真，仿真结果和试验数据的对比显示了良好的一致性，验证了该方法的有效性。

关键词：燃烧室；一维热流体系统仿真；Flownex

2.引言

燃烧室是将燃料化学能转化为热能的装置，整个发动机工作的可靠性，在很大程度上取决于燃烧室工作的可靠性。例如燃烧室出口温度过高，会引起涡轮叶片过热或者烧毁；燃烧室的可靠性差或者寿命短，会使发动机的使用性能及工作可靠性变坏；燃烧室的工作不稳定，会导致熄火，使发动机停车；燃烧过程组织不好，会使燃烧室中的热量损失增加和燃油消耗量增大，同时还会在火焰筒壁及涡轮叶片上产生积碳，导致筒壁冷却变差，造成火焰筒过热、变形甚至开裂。现代航空发动机主机内温度达到1600~1700℃，火焰筒壁面材料的熔点通常低于燃烧火焰温度，火焰筒壁面需要冷却气流确保壁面温度在允许的范围之内。

上世纪70年代中期到80年代初，由NASA主持实施了高效节能发动机（Energy Efficient Engine），即E3研究计划，这一计划的实施，不仅使高负荷跨音速压气机、低污染短环燃烧室和跨音速大负荷涡轮等部件设计研制技术有了更大进展，而且按预定目标完成了样机的整机试验。它的研究成果很快被应用于新研制的航空发动机，如CF6-80C2、CFM56-5、PW2037、PW4000、V2500、GE90等。大涵道比民用涡扇发动机GE90拥有独特的双环腔低污染燃烧室设计并且应用了以往在涡轮叶片上采用的气膜冷却手段，这样的设计有效降低了氮化物的排放并且提高了发动机性能和耐久性。

       

图1 E3发动机核心机

本文根据文献[1]提供的公开数据，基于一维热流体系统仿真软件Flownex，搭建了E3核心机燃烧室的计算模型。利用燃烧计算模块，快速计算得到燃烧火焰温度以及燃烧产物及其组分等；利用流动元件计算燃烧室的压力和速度分布；利用传热模块，包括热传导，对流传热（包含气膜冷却）、辐射传热，计算得到火焰筒壁面的温度分布。

3.流体网络法

与传统的三维CFD分析方法不同，流体网络方法将流体域离散为通过一定的网络拓扑结构相连的节点和元件两类单元。其中对节点做零维简化，近似为具有一定体积（体积可以为0）、内部所有参数均匀分布的腔室；对元件做一维简化，近似为一个一维管流元件或者传热元件，元件的计算过程中，结合了元件的实验关联式来确定损失、传热等相关系数。与三维CFD分析相比，流动网络计算方法能够更好的分析各个部件之间的相互作用以及系统的整体性能，在概念设计、初步设计阶段以及系统集成的过程中，流体网络计算方法具有独特的优势。

4.仿真工况

图2为E3核心机双环腔燃烧室的结构图。火焰筒由两个机加工的内外环腔组成，双环腔的顶部由中心体分隔，每个环顶有30个等距的旋流杯，火焰筒采用气膜冷却技术。燃烧室采用分区并列燃烧技术：双环腔燃烧室外环是预燃区，内环是主燃区。在起动、高空点火和慢车状态时，只有预燃区喷油工作，因为预燃区空气流速较低，适当富油以利于点火起动及慢车的燃烧效率。在大功率状态下，内外环腔都工作，使两个燃烧区在传统温升条件下提供贫油油气比，在高温升的条件下提供接近化学当量比的油气比。

       

       

 图2 E3核心机燃烧室结构图

仿真建模的工况对应文献[1]中的试验工况，该试验是在专为容纳E3燃烧室而设计的全环形高压试验台上进行的，该试验台精确复现了发动机燃烧室的流道尺寸和流动路径。试验的目的是评估E3核心机燃烧室在基准运行条件下的排放、压降和温度等特性。

表1列出了所选择的6个测试点的工况数据，并以此作为仿真计算模型的边界条件。

       

表1 燃烧室的运行工况