题目：基于数值模拟的航发燃烧室熄火研究

燃气轮机燃烧室的一项主要需求是必须在较宽广的工作范围内保持稳定燃烧，尤其对于航空发动机来讲，有时必须工作在很低的温度和压力下，或者总体油气比在碳氢化合物和空气混合物的可燃极限以外。一般而言，燃烧室的稳定工作范围受到燃烧效率、出口温度、总压损失以及贫熄边界四个方面的限制。贫熄边界是燃烧室稳定工作范围的下边界，是发动机的最小稳定工作状态。在航空发动机的运行过程中，慢车状态下的贫油熄火是十分重要的一点，这是因为发动机降工况是通过减油门实现的，转子由于惯性减速较慢，进而空气流量也就降低较慢，这就出现了燃烧室贫油工况。如果此时火焰稳定性不好，就会出现熄火，即所谓的空中熄火，属重大事故。因此在燃烧室的设计阶段，工程师需要对燃烧室的贫熄边界进行准确预估，为燃烧室的后续设计、改进提供合理依据。本文对航发燃烧室贫油熄火进行了数值及实验研究。采用商业软件Fluent对航空发动机燃烧室的冷态速度场和燃料浓度场进行数值模拟，定量分析了燃烧室头部气量分配、回流区大小、总回流量等因素对燃烧室贫熄性能的影响，并且在燃烧室冷态数值模拟结果的基础上将贫熄半经验模型与数值模拟相结合，建立起了燃烧室冷态流场与热态贫熄性能的对应关系，提出了FIA&燃烧负荷参数、FIA&Flam-FV、CP-FV燃烧室贫熄边界预测模型及方法，成功的实现了从燃烧室的冷态流场预测热态贫熄性能的目的，通过和大量贫熄实验数据的对比，预测结果令人满意。研究结果表明：（1），在双径向旋流器燃烧室中，增大一级进气量，熄火油气比（qLBO）增大，二级气量只影响到油雾的分布，对qLBO影响不大。在双轴向旋流器燃烧室中，一、二级气量增大，qLBO减小。在同一头部类型 （双轴向、轴径向、双径向）的燃烧室中，增大主燃孔空气量（mpri-holes），熄火油气比减小。回流区体积和总回流气量对燃烧室的贫熄性能并没有趋势性的影响；（2），通过与19种结构燃烧室贫熄数据的对比，基于均匀搅拌反应器理论建立的燃烧负荷参数与熄火油气比表现出良好的相关性，qLBO随着燃烧负荷参数的增大以线性或平方关系增大，并且通过将燃烧负荷参数与本文提出的燃油流量迭代逼近法（FIA）相结合，成功的实现了对航发燃烧室贫熄边界的预测，预测平均误差控制在±4.9％以内；（3），通过将燃烧室冷态数值模拟与FV（Flame Volume）贫熄半经验模型相结合，本文提出了两种复合FV贫熄模型，即Flam-FV模型和CP-FV模型。两者的主要区别是火焰体积（Vf）在数值模拟结果中的定义方法不同。其中，Flam-FV模型中的火焰体积是通过燃料可燃边界定义的，而CP-FV模型的火焰体积是通过流场中某一特征点定义的；（4），将Flam-FV模型与FIA法相结合，亦可以实现对航发燃烧室贫熄边界的准确预测。通过和17种结构燃烧室贫熄数据的对比，预测平均误差控制在±9.5％以内。这说明了采用燃料可燃边界定义的可燃区可以很好的体现出燃烧室结构参数变化对贫熄性能的影响，进而达到从燃烧室的冷态流场预测热态贫熄性能的目的；（5），在燃烧室结构以及来流工况一定的条件下，过燃烧室内固定一点的燃料等浓度面所包围的体积几乎不受燃油流量变化的影响，燃油流量的变化仅仅改变了过某一固定点燃料等浓度面的值的大小，但并不改变等浓度面的形状以及所包含体积的大小；（6），燃烧室回流区涡心在轴向位置的移动体现了燃烧室旋流器进气与主燃孔进气的相互平衡关系。以回流区涡心为特征点建立的CP-FV复合模型同样可以实现对燃烧室贫熄边界的预测。通过和多种燃烧室贫熄数据的对比，CP-FV模型的平均预测误差为±9.2％；（7），由于本文的数值计算均为燃烧室冷态数值模拟，所以采用FIA&燃烧负荷参数法、FIA&Flam-FV组合模型以及CP-FV模型预测燃烧室贫熄边界的时间成本较小，每个算例基本上控制在12小时之内，因此这三种模型/方法均可以用于处于初步方案设计阶段燃烧室（“纸”燃烧室）的贫熄边界预测，为燃烧室的后续改进、改型提供理论依据。