发动机舱燃烧场数值模拟研究

摘 要：民用飞机的安全性设计是十分重要的。民用飞机发动机防火系统为发动机舱提供火灾防护。发动机在工作过程中可能出现燃油泄漏，可能引起发动机舱着火。针对此情况对发动机燃油泄漏而着火的过程使用商业软件fluent进行数值仿真模拟，分析发动机舱着火状态下燃烧场的情况，为民用飞机发动机着火探测系统设计提供一定支持。

关键词：流场；数值模拟；燃烧

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2011）011-0138-03

0 引言

近年来，我国在航空领域的技术研究取得了长足的进步和发展。航空发动机性能不断提高，对于舱内流动及燃烧的模拟要求也日益苛刻，现有的经验、半经验设计方法已不能完全满足现代先进舱内流动及燃烧的设计要求。现代飞机的特点是推力大、速度快，使用大量闪点低的优质航空煤油或汽油做燃料，因此，遍布复杂管路的发动机舱就成为引起飞机起火的一个主要的潜在危险部位。 

在飞机发动机舱中发生的火灾主要是泄漏的燃料遇到高温后引起的。此类火灾的强度大，发生位置复杂，灭火后有潜在复燃的危险，会造成舱室内现有的灭火系统失效，引起严重的后果。因此，迫切需要对此类火灾的产生、发展过程进行研究。 

随着现代计算技术的不断发展，数值模拟技术不断在航空航天、化工、防灾等领域得到广泛应用。数值模拟包括计算机模拟和实验模拟。流动、传热传质、火灾等物理化学现象遵循一定的规律，这个规律既可以在模拟实验中再现，也可以抽象为过程的数学方程，这就是数值模拟研究的科学依据。国内外成功的实践表明，数值模拟技术是事故调查分析和事故预防研究的有效手段。

1 数值模拟对象

本文研究对象为用于民机的某型涡扇发动机。由于发动机舱的模型比较复杂，为了满足计算的需求，对模型进行了合理的简化。保留了发动机主体结构以及对流场结果有较大影响的部分，简化了对流场结构影响较小的部分。发动机计算数模分为风扇舱和核心舱两部分，对两部分分别进行燃烧场数值模拟。

2 模型网格划分

数值模拟计算的前提是对数模进行网格划分。在进行网格划分时，充分考虑了计算需求（计算时间等）和计算机硬件条件以确定网格的数量。基于以上考虑，网格划分情况为：发动机风扇舱网格数量为2232039，发动机核心舱网格数量为2079939。

3 计算方法

在实际燃烧中，气流流动大都是湍流流动，所有物理量都是空间和时间的随机变量，但是湍流流动仍遵循连续介质一般运动规律，并具有一定规律的统计学特征，其瞬时量仍满足粘性流体运动方程。描述燃烧流场各瞬时量的微分方程为

连续方程：

对于湍流，如果直接求解上述三维瞬态控制方程，需要采用对计算机内存和速度要求很高的直接数值模拟方法，但目前还不可能在实际工程中采用此方法。工程中广为采用的方法是对上述基本方程中的瞬时量做时间平均（雷诺平均）或密度加权平均（Favre平均）处理。

本文使用商业软件Fluent对发动机舱三维燃烧场进行数值模拟，在湍流方程方面选用的是标准的 双方程模型。 双方程模型是目前应用最广、接受检验最多、且数值求解技术也最成熟的湍流模型。在对燃烧场三维湍流数值模拟时，对湍流场的数值模拟便采用此类湍流模型。

双方程模型把体现湍流脉动对均流场输运作用的两个特征量（湍流动能 和长度尺寸 都处理成各自的微分方程控制的因变量。建立 和 控制的基础是Navier-Stokes方程由于建立 方程比较困难，所以建立了以湍流动能 和湍流动能耗散率 各自为变量的方程，也就是 双方程。

 t(ρk)+ xl(ρkul)= xl)+Gk-Yk+Sk（5）

 t(ρε) xl(ρεl)= xl(Γε ε xl)+Gε-Yε+Sε（6）

本文研究的燃烧是非预混燃烧，燃烧模型采用混合分数平衡化学反应pdf模型，导入pdf文件进行计算。pdf是概率密度函数的简写形式。计算燃烧之前，需要使用燃烧前处理软件先生成一个pdf文件以便在计算中随时查找数据。

在计算过程中，边界条件的设定对计算过程的影响较大。在实际的燃烧场计算中，由于流动均为湍流，需选用湍流模型，那么此时边界的湍流参数的设定就尤为重要。通常不能给出具体的k和ε，而水力直径可以通过公式计算得出，因此使用给定湍流强度和水力直径的方法来替代给定k和ε，这样有利于计算的收敛。

燃烧液滴的初始化内容包括：液滴的喷射方向、液滴速度、粒径大小、液滴的流量等。因此，为了保证计算的准确性，需要各项参数输入正确。 

本计算选用的材料为航空煤油（C12H23），这种材质在CFD材料库中可以进行选择。

4 燃烧场分析

4.1 燃烧场初场

使用商业软件对发动机风扇舱和核心舱排气与通风冷却系统工作过程即冷态流场进行数值模拟，得到发动机舱从进气口到冷却通道内流系统的温度、压力、流量等参数的分布情况，为燃烧计算提供初场。



图1 风扇舱冷态流场 图2 核心舱冷态流场

风扇舱、核心舱冷态流场为三维定常流动，采用标准壁面函数，壁温恒定。计算中设置进口和出口的质量流量监测，以流入和流出计算区域的流体达到平衡作为判断迭代是否收敛的一个标准。风扇舱、核心舱冷态流场达到稳定后的流场情况如图1、图2所示，达到稳定的冷态流场可以作为燃烧场的初场。

4.2 风扇舱燃烧场计算

对发动机风扇舱燃油泄漏发生燃烧的过程进行数值模拟。该计算是以冷态流场数值模拟得到的计算结果作为初场，模拟舱内温度、组分浓度等参数随时间变化的情况。 

从风扇舱燃烧场数值模拟的残差曲线可以看出，在每个计算时间步残差曲线均下降到10-3以下，达到了数值计算收敛的基本条件。以下具体分析计算结果的物理意义。风扇舱燃烧场温度计算结果如图3所示：

图3 风扇舱燃烧场温度

从风扇舱Z=4000mm在t=0.5s时刻的温度截面图（ 图3(a)）可以看出，温度场在上部存在着很大的温度梯度，即左右两部分的温度相差比较大，这是由于该截面处于远离燃油泄漏点但又靠近气流入口的位置，燃油泄漏时间比较短，燃烧刚刚开始进行，热量开始向外扩散，而入射气流的速度比较大，温度比较低，所以在远离火源那部分的温度还处于一个较低的水平，而靠近火源那部分由于燃烧产生热量的扩散，导致这部分温度比较高。而随着燃烧的继续，在t=3s这个时刻，Z=4000mm这个截面图，图3(c)的温度就分布比较均匀，并且在随后的燃烧过程中，始终保持着比较均匀的状态。 

从风扇区Z=4399mm在t=0.5s时刻的温度截面图（图3(e)）可以看出，它的温度梯度比Z=4000mm这个截面的小得多，并且该截面的温度也比较高。这是由于燃油泄漏点处于该截面，因此该截面的热量传递的比较快。 

从风扇区Z=4800mm在t=0.5s时刻的温度截面图（图3(f)）可以看出，在该截面的温度梯度比另两个截面更小，温度分布更均匀。这是因为该截面处于流动的后半部分，从而使能量传递的更为均匀。 

另外，从风扇区Z=4000mm截面的温度场随时间变化图可以看出，燃烧刚开始进行时，风扇区内的温度急剧上升，并存在很大的温度梯度。随着燃烧的继续进行，温度逐渐趋于稳定，整场的温度分布也较为均匀。而到后期，整场的温度开始有一个下降的趋势，但此时整场仍处于一个很高的温度。 

4.3 核心舱燃烧场计算

对发动机核心舱燃油泄漏发生燃烧的过程进行数值模拟，该计算是以冷态流场数值模拟得到的计算结果作为初场，模拟舱内温度、组分浓度等参数随时间变化的情况。

从核心舱燃烧场数值模拟的残差曲线可以看出，在每个计算时间步残差曲线均下降到10-3以下，达到了数值计算收敛的基本条件。以下具体分析计算结果的物理意义。核心舱燃烧场温度计算结果如图4所示。

图4 核心舱燃烧场温度

从核心区Z=5200mm在t=0.5s时刻的温度截面图（ 图4(a)）可以看出，温度场在上部存在着很大的温度梯度，即左右两部分的温度相差比较大，这是由于该截面处于远离燃油泄漏点但又靠近气流入口的位置，燃油泄漏时间比较短，燃烧刚刚开始进行，热量开始向外扩散，而入射气流的速度比较大，温度比较低，所以在远离火源那部分的温度还处于一个较低的水平，而靠近火源那部分由于燃烧产生热量的扩散，导致这部分温度比较高。而随着燃烧的继续，在t=3s这个时刻，Z=5200mm这个截面（ 图4(c)）的温度就分布比较均匀，并且在随后的燃烧过程中，始终保持着比较均匀的状态。 

从风扇区Z=5769mm在t=0.5s时刻的温度截面图（ 图4(e)）可以看出，它的温度梯度比Z=5200mm这个截

面的小得多，并且该截面的温度也比较高。这是由于燃油

泄漏点处于该截面，因此该截面的热量传递的比较快。 

从风扇区Z=6400mm在t=0.5s时刻的温度截面图（ 图4(f)）可以看出，在该截面的温度梯度比另两个截面更小，温度分布更均匀。这是因为该截面处于流动的后半部分，从而使能量传递的更为均匀。 

另外，从风扇区Z=5200mm截面的温度场随时间变化图可以看出，燃烧刚开始进行时，核心区内的温度急剧上升，并存在很大的温度梯度。随着燃烧的继续进行，温度逐渐趋于稳定，整场的温度分布也较为均匀。而到后期，整场的温度开始有一个下降的趋势，但此时整场仍处于一个很高的温度。

5 结束语

本文在某型发动机风扇舱和核心舱数模的基础上分别建立风扇舱和核心舱流场数模，绘制计算用的网格。使用商业软件Fluent对发动机风扇舱流场及核心舱流场进行冷态流场及燃烧场的计算。模拟了发动机风扇舱和核心舱在燃油泄漏的情况下的燃烧情况，通过对发动机风扇舱和核心舱在燃油泄漏后发生燃烧的数值模拟反映了发动机风扇舱和核心舱燃油泄漏后温度场的分布，该分布与风扇舱进口气流的方向和大小有很大关系。经研究，发动机舱燃烧场数值模拟为发动机风扇舱和核心舱着火探测系统和灭火系统的设计提供了一定参考价值。

参考文献：

［1］ 赵坚行.燃烧的数值模拟［M］.北京:科学出版社，2002. 

［2］ 范维澄.流体流动、传热传质和燃烧过程的计算机模拟［M］.合肥：安徽科学技术出版社，1990. 

［3］ 陶文铨.数值传热学（第2版）［M］.西安:西安交通大学出版社，2001. 

［4］ 周力行.湍流两相流动与燃烧的数值模拟［M］.北京:清华大学出版社，1991. 

［5］ BLACK A R,SYO-ANTTILA J M,DUSUNUKE PJ,TYCJER J R.Numerical predictions and experimental results of air flow in a smooth quarter-scale nacelle［D］.American Institute Aeronautics and Astronautics, Paper AIAA 2002-0856, Virginia, USA; 2002. 

［6］ QUINTIERE J G.Compartment fire modeling. The SFPE Handbook for Fire Protection Engineering（2nd ed）［M］. Society of fire protection engineers, Boston,1995.

［7］ SOAKDUBG D B.Concentration Fluctuations in A Round Free Jet［M］.Chemical Engineering Science,1971.



（责任编辑：王 钊）

Study on Numerical Simulation of Combustion in Nacelle



Abstract:The safety design of civil transportation aircraft is crucial. The civil aircraft engine fire protection system provides fire protection function for nacelle. Engine fuel leakage may happen during engine operation and may result in fire in the nacelle. This study uses commercial software to simulate this situation numerically and analyze the combustion flow field status, supporting the design of civil aircraft engine fire detection system.

Key Words: Flow Field；Numerical Simulation；Combustion