一种燃烧室点火性能三维仿真设计方法与流程

本发明涉及航空发动机燃烧室领域，具体涉及燃烧室点火性能仿真设计方法领域。

背景技术：

1、航空发动机燃烧室点火性能是关键技术指标，决定了发动机安全工作边界。为了满足日益严苛的环保要求，商用大涵道比航空发动机燃烧室通常采用贫油预混低排放燃烧设计，相比传统燃烧室的头部进气量提高了一倍以上，大大增加了点火难度。国内现有燃烧研制采用“设计-试验验证-修改设计-再试验”的反复迭代模式，通过多头部扇形燃烧室试验，从众多设计方案中筛选出若干个性能优异的方案，再进入环形燃烧室试验考核，需要耗费大量成本。而且，现有研制经验表明不同布局的燃烧室，如单头部、扇形或环形燃烧室的点火性能是不同的。

2、航空发动机燃烧室点火一般包含三个阶段：第一阶段是点火电嘴放电后在电嘴附近形成高温初始火核；第二阶段是火核生长、传播直至形成稳定火焰；第三阶段是火焰从一个头部向相邻头部传播，并最终点燃所有头部。针对点火三个阶段的模拟，常用方法是采用ansys软件内的非稳态求解器，在精细网格上求解纳维-斯托克斯方程方程获取模拟结果。

3、由于点火机理十分复杂，为了获得精确的预测结果，上述方法对湍流燃烧模型精度要求非常高，实施难度大，从而计算资源要求很高，无法进行预测设计。除此之外，这类方法也不能捕捉到点火过程本质上的随机特性。

4、因此，有必要提出一种燃烧室点火性能三维仿真设计方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种燃烧室点火性能三维仿真设计方法，能够适用于多种状态组分的燃烧物，并能够获得精确地模拟数值。

2、为实现上述目的的燃烧室点火性能三维仿真设计方法包括下列步骤：s1.确定燃烧室几何模型和气动参数，划分cfd网格，通过求解雷诺平均方程模拟燃烧室内部气流速度和燃油分布，获得cfd模拟结果；s2.基于组分和液相体积分布的时均以及对应脉动值模型，构建气态和/或液态燃料下的概率密度分布函数，用于产生随机的燃料组分和液相体积分数；s3.使用元胞自动机方法，生成代表火焰传播流场的细胞网格，将所述cfd模拟结果插值到所述细胞网格，使所述细胞网格被赋予流场参数；s4.采用初始火核模型，在所述细胞网格中生成点火源，初始化火焰粒子，将所述火焰粒子导入所述cfd网格；s5.采用随机粒子追踪方法模拟所述火焰粒子的运动，使用熄火模型判断所述火焰粒子是否熄灭，并基于可燃性公式判断细胞网格是否可燃，并更新所述火焰粒子在下一时步的位置和流场参数以及所述细胞网格参数；s6.在所述火焰粒子的数目为0或点火模拟时长达到时间阈值时停止模拟，停止模拟时统计所述细胞网格中被点燃细胞网格的数目，当被点燃的细胞网格数目大于等于阈值数目后判定点火成功，当被点燃的细胞网格数目小于所述可燃粒子阈值数目时判定点火失败；s7.重复步骤s4、s5和s6，直至重复次数超过给定值，结束后计算点火成功的概率，并根据所述概率评估点火性能。

3、在一个或多个实施例中，在步骤s2中，在燃烧室燃料为液态混合物的状态下，所述概率密度分布函数的计算公式为：其中，α'为液相体积分数的脉动值，x为液雾平均粒径，c0、c1、c2和c3为常系数，为平均液相体积分数。

4、在一个或多个实施例中，在步骤s2中，在燃烧室燃料为气态混合物的状态下，所述概率密度分布函数的计算公式通过高斯分布或beta分布获取。

5、在一个或多个实施例中，在步骤s5中，细胞网格使用的可燃性公式为：其中，f是可燃性判断值，φrich代表燃料的富燃极限当量比，φlean代表贫燃极限当量比，p(φ)为当量比的概率密度分布函数。

6、在一个或多个实施例中，当f小于0.1时认为所述细胞网格不可燃。

7、在一个或多个实施例中，在步骤s4中，所述初始火核模型将点火源视为直径dk的球体，dk根据如下点火输入功率空间分布函数的积分值获得：σs表示电嘴直径，σt表示放电时间，t0为点火输入能量达到最高值的时刻，ed表示电火花在σt时间内输入流场的能量，为空间分布的点火输入功率。

8、在一个或多个实施例中，在步骤s5中，采用基于karlovitz数的熄火模型判断所述火焰粒子是否熄灭。

9、在一个或多个实施例中，在所述火焰粒子被判定为熄灭后在cfd流场中删除，不再追踪；在所述火焰粒子被判定为未熄灭后，更新所述火焰粒子所在的所述细胞网格的可燃性状态，所述细胞网格的可燃后在所述细胞网格处释放出一个或多个相互独立的新火焰粒子，所述新火焰粒子和所述火焰粒子继续随机运动。

10、在一个或多个实施例中，在步骤s5中，采用langevin随机微分方程计算随机粒子的运动速度和下一时步所述火焰粒子的新位置，采用所述概率密度分布函数获得粒子的随机组分或液相体积分数。

11、在一个或多个实施例中，该方法适用于气态燃烧物、气液混合燃烧物、液态燃烧物以及喷雾状态燃烧物。

12、在一个或多个实施例中，在步骤s3中，采用反距离加权插值法或kriging插值法或三维线性插值法将cfd流场模拟结果插值到所述细胞网格。

13、在一个或多个实施例中，采用蒙特卡洛方法进行多次点火模拟，计算点火成功概率。

14、上述方法通过构建气态和/或液态燃料下的概率密度分布函数，使该方法能够适用于气态燃烧物、气液混合燃烧物、液态燃烧物以及喷雾状态燃烧物，使该方法适用于多种燃烧室方案，且灵活适用单头部、扇形和环形等燃烧室布局，具有较高的普适性；还通过使用元胞自动机方法和随机粒子追踪方法，支持并行计算，有效节省了计算资源和计算时间；此外，本方法针对点火三个阶段建立低阶物理模型，将时均cfd仿真结果和元胞自动机、随机粒子追踪和蒙特卡洛模拟进行结合，能够捕捉到点火过程本质上的随机特性，并且具有较高的准确性。

技术特征：

1.一种燃烧室点火性能三维仿真设计方法，其特征在于，包括下列步骤：

2.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，在步骤s2中，在燃烧室燃料为液态混合物的状态下，所述概率密度分布函数的计算公式为：

3.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，在步骤s2中，在燃烧室燃料为气态混合物的状态下，所述概率密度分布函数的计算公式通过高斯分布或beta分布获取。

4.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，在步骤s5中，所述细胞网格使用的可燃性公式为：

5.如权利要求4所述的仿真设计方法，其特征在于，当f小于0.1时认为所述细胞网格不可燃。

6.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，在步骤s4中，所述初始火核模型将点火源视为直径dk的球体，dk根据如下点火输入功率空间分布函数的积分值获得：

7.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，在步骤s5中，采用基于karlovitz数的熄火模型判断所述火焰粒子是否熄灭。

8.如权利要求7所述的仿真设计方法，其特征在于，在所述火焰粒子被判定为熄灭后在cfd流场中删除，不再追踪；在所述火焰粒子被判定为未熄灭后，更新所述火焰粒子所在的所述细胞网格的可燃性状态，所述细胞网格点燃后在所述细胞网格处释放出一个或多个相互独立的新火焰粒子，所述新火焰粒子和所述火焰粒子继续随机运动。

9.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，在步骤s5中，采用langevin随机微分方程计算随机粒子的运动速度和下一时步所述火焰粒子的新位置，采用所述概率密度分布函数获得粒子的随机组分或液相体积分数。

10.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，该方法适用于气态燃烧物、气液混合燃烧物、液态燃烧物以及喷雾状态燃烧物。

11.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，在步骤s3中，采用反距离加权插值法或kriging插值法或三维线性插值法将cfd流场模拟结果插值到所述细胞网格。

12.如权利要求1所述的仿真设计方法，其特征在于，采用蒙特卡洛方法进行多次点火模拟，计算点火成功概率。

技术总结
提供一种燃烧室点火性能三维仿真设计方法，模拟燃烧室内部气流速度和燃油分布，获得CFD模拟结果；构建气态和/或液态燃料下的概率密度分布函数；生成细胞网格，将CFD模拟结果插值到细胞网格；采用初始火核模型在细胞网格中生成点火源并将初始火焰粒子导入CFD网格；采用随机粒子追踪方法模拟火焰粒子的运动，使用熄火模型判断火焰粒子是否熄灭，基于可燃性公式判断细胞网格是否可燃，在火焰粒子的数目为0或时长达到时间阈值时停止模拟。停止模拟时统计细胞网格中被点燃细胞网格的数目，被点燃细胞数目超过阈值时判定点火成功。重复上述模拟多次，统计点火成功的概率。上述方法能够适用于多种状态组分的燃烧物。

技术研发人员：陶雯婕
受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15