[发明专利]折流式燃烧室气动性能的快速虚拟数值试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及小型涡轮发动机试验技术领域，具体涉及一种折流式燃烧室气动性能的快速虚拟数值试验方法。

背景技术

获得涡轮发动机燃烧室气动性能主要有两种方法：一种是使用燃烧室试验台的实物试验直接获得气动性能；另一种是使用CFD数值仿真技术获得气动性能。由于后者理论的局限，如不经试验数据验证和修正模型，实用性有限。因此，实物试验仍然是目前使用的主要方法。

由于采用数值仿真技术的虚拟数值试验方法，可以节省研制的费用、成本，缩短研制周期，提高研制效率，避免研制风险。所以，在上个世纪八十年代开始兴起以CFD仿真技术为手段，开展涡轮发动机气动性能的数值分析与计算的研究，出现了各种自编的或商用的CFD软件，比如FLUENT、CFX和NUMECA等。但是这些软件工具通常是作为通用气动分析计算的解算器提供的，作为专用的气动性能虚拟数值试验系统并不适合，而且使用起来也不方便和便捷。

美国NASA开发了NPSS系统，整合了航空涡轮发动机整机、部件和系统的气动热力多维度和多尺度计算分析的软件和研究成果，建立了航空涡轮发动机的虚拟“数值试车台”，可对发动机部件，甚至整机进行虚拟数值试验，获得发动机的性能或验证发动机的设计。我国虽然也开展了类似的ATPD计划，但由于基础薄弱，与国外技术水平有较大的差距，尚未建立起系统的工具软件和环境，基础数据库和模型库等也极不完善，虚拟数值试验技术在小型涡轮发动机试验中的应用尚未真正开展，因此，开发小型涡轮发动机的关键部件(比如燃烧室)的虚拟数值试验技术非常必要和紧迫。国外虚拟数值试验经验表明：虚拟试验可以大幅节省实物试验量，减少研制费用、降低研制风险。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种适用于小型涡轮发动机的折流式燃烧室气动性能的快速虚拟数值试验方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种折流式燃烧室气动性能的快速虚拟数值试验方法，包括以下步骤：

步骤1、进行燃烧室一维气动模型的分区及计算截面选取；

步骤2.输入燃烧室一维气动模型的几何参数和初始条件，包括：燃烧室进口空气流量、进口空气总压、进口空气总温、燃油流量、出口总温和燃烧室燃烧效率；

步骤3.基于步骤2输入的燃烧室一维气动模型的几何参数和初始条件，计算折流式燃烧室进口状态及总体性能参数，包括：

(a)燃烧室进口气流速度系数和速度的计算(公式(1)-(3))；

(b)燃烧室总余气系数的计算(公式(4))；

(c)燃烧室容热强度计算(公式(5))；

(d)燃烧室总流阻系数计算(公式(6))和总压恢复系数估算(公式(11))；

步骤4.基于步骤2输入的燃烧室一维气动模型的几何参数和初始条件，折流式燃烧室火焰筒空气流量的分配(公式(12)-(13))；

步骤5.基于步骤2输入的燃烧室一维气动模型的几何参数和初始条件，折流式燃烧室火焰筒头部内流程参数计算，包括：

(a)火焰筒头部内总温的计算(公式(14))；

(b)火焰筒头部内静压的计算(公式(15))；

(c)火焰筒头部内静温(公式(19))、气流密度(公式(16))和总压的计算((公式(20))；

(d)火焰筒头部内第i截面的余气系数(公式(13))、气流速度(公式(17))、速度系数(公式(18))及射流速度(公式(21))的计算；

步骤6.基于步骤2输入的燃烧室一维气动模型的几何参数和初始条件，折流式燃烧室火焰筒头部后流程参数计算，包括：

(a)头部后第i截面壁面进气孔的空气流量(公式(22))、叠加空气流量(公式(23))、余气系数(公式(25))及射流速度(公式(26))；

(b)头部后第i截面的总温(公式(14))、静温(公式(19))及气流密度(公式(28))；

(c)头部后第i截面的总压(公式(20))、静压(公式(16))、气流速度(公式(17))及速度系数(公式(18))的计算，燃烧室总压恢复系数的计算(公式(29))；

步骤7.判断是否头部后最后计算截面的流量与头部后第一个计算截面的流量达到了平衡，如果不平衡，转向步骤4，修改空气流量分配，做循环计算，否则结束。

优选地，步骤1中，根据折流式燃烧室火焰筒内气流流动的特点，将燃烧室一维气动模型分为三个计算域：燃烧室头部区域、燃烧室中部区域和燃烧室出口区域。