随着航空工业迅猛的发展，对航空技术尤其是其发动机的技术性能要求越来越高，并且正在向着高增压比(30以上)、高涡轮进口温度(2 000 ℃以上)、高推重比(10以上)、低污染、低油耗以及高可靠性的综合性能方向发展。而在发动机的发展过程之中，对燃烧室的性能要求也越来越重要，这一方面是由于燃烧室是发动机的核心，其燃烧稳定性、污染排放多少、结构及可靠性能对发动机都有着至关重要的影响；另一方面也是由于燃烧室内既有流动等物理过程，又包含着各种复杂的化学反应过程^[1]。燃烧室作为航空燃气涡轮发动机最重要的部件之一，同时也是温度最高的部件之一，它的作用是将燃料的化学能转化为热能，将来自燃油喷嘴的燃料和来自压气机的空气混合并充分燃烧，同时产生高温高压的气体，燃烧后的高温高压气体经过涡轮会对涡轮做大量的功，使涡轮产生高速旋转，进而带动压气机旋转，最后发动机尾喷管产生推力，推动飞行器前进。因而燃烧室、涡轮、压气机被称为航空发动机的三大主要部件。

而壁面温度指标是发动机燃烧室计算设计中非常重要的内容，并且过高的壁面温度对燃烧室也是不利的，燃烧室壁面热流的来源有很大一部分是高温气体的辐射热流，与此同时辐射热流随温度的变化也非常剧烈，有关研究资料表明当燃烧室温度达到1 700~2 000 ℃时，此时发动机燃烧室内混合气体的辐射热流能达到2.3×10⁵ W/m²，这是一个相当高的数字，所以燃烧室的辐射热环境数值模拟是一项重要的任务^[2]。

因此研究燃烧室的辐射受热状况对发动机技术的进步和发展有着至关重要的影响和作用。本文结合现代计算流体动力学技术对燃烧室内的燃烧和辐射状况进行系统分析，并获得较满意的仿真模拟结果，这不仅对燃烧室的结构优化有着重要的意义，而且可以减少资源的消耗并大大缩短研制周期^[3]。

当前较常用的高温气体辐射特性计算模型主要可以归结为下面两类：一类是传统的穿透率计算模型，例如加权和灰气体模型、宽谱带模型、窄谱带模型等；另一类是吸收系数计算模型，主要有传统的逐线计算模型，以及近期引起较多研究者关注的基于吸收系数重排思想的K分布法或关联K分布法。气体辐射特性计算只占整个辐射计算的一部分，应尽可能地提高其计算效率及与辐射传递方程求解方法的兼容性，所以建立一种高效的气体辐射特性计算模型具有重要意义^[2]。

根据计算波数间距大小，燃气辐射特性计算模型可以分为3类：光谱逐线计算模型、谱带模型和全局性模型。每一种模型都有其优点和缺点以及应用领域。历史上，最早的气体辐射模型是为灰气体模型，即假设全波长区间气体的吸收系数为常数，这一模型同其他模型相比，精度较差。

本文拟针对某类小型航空发动机燃烧室进行适当简化，并利用商业软件FLUENT计算其典型工况下燃烧室内温度、组分和浓度场，进而模拟火焰筒壁面辐射热流分布特性并分析其影响因素，初步建立发动机燃烧室内燃气辐射换热计算方法，对某一工况下的对称三维燃烧室辐射换热进行数值计算，并分析不同条件参数对数值模拟结果的影响，根据相应的模型计算结果，做出分析和改进。

在计算软件方面，本文采用的网格生成软件是GAMBIT2.2版本，GAMBIT是专用CFD的前处理器，用于模拟对象的集合建模以及网格的生成，它可以生成各种结构化或者非结构化的网格；而求解器则选择应用非常广泛的商业软件FLUENT6.3，FLUENT6.3是一个基于非结构化网格的通用求解器，支持并行计算，分为单精度和多精度两种，它的工作包括设置边界、定义材料物性、执行求解以及对结果进行后处理等^[4]。

本论文的主要任务就是根据以上2种燃烧室为基础进行划分网格，计算建模以及数值求解过程，具体可以分为以下几步：

1)按进行简化的燃烧室进行设计，确定要进行的计算域，并对具体进出口的尺寸进行设计。

2)对模型划分网格，并对2个模型的相应部位的网格进行加密处理，以达到较理想的计算结果。

3)选择适合的模型与相应的物性参数，建立较符合实际发动机燃烧室工作状态的燃烧室数值计算模型。

4)采取不同的实验参数以及不同的燃烧模型、辐射模型、进出口模型等进行计算，获得燃烧室内相应的温度、压力、组分以及壁面辐射热流等参数的分布状况。

在进行具体的几何建模以及具体的参数设置之前，必须先确定计算域，一般来说，燃烧室由壳体、旋流器、扩压器、火焰筒、输油管以及点火嘴等结构组成。由于真实的发动机燃烧室的布局十分的复杂，仅燃烧室上的喷油孔就是数十个之多，而且燃烧室上的各种小部件数以千计，虽然这些小结构对几何建模的正确性以及合理的模拟流畅的分布比较重要，但是在FLUENT计算中为了获得燃烧、流动以及辐射传热过程之中的主要特征，这就需要我们忽略一些对空气动力性能影响不大的小结构^{[5, 6]}。

本课题研究的航空发动机燃烧室的几何结构是三维轴对称的结构^{[7, 8, 9, 10]}，基本结构为直流、柱形。具体尺寸为为燃料入口R=4.5 mm，空气入口23.8 mm，进气道长130.7 mm，最宽处半径38.3 mm，主体燃烧室长420 mm，半径101.6 mm，出气口为半径23.6 mm，长156 mm。

如图 1所示^[11]，模型采用的是均匀网格，这是由于模型的进气道部分变化比较大，所以采用均匀网格比较简洁并且不易出错，由于计算和划分方便，本模型采用三角形网格，网格数量大约为60 000，经过验证可以满足本模拟的计算精度要求。

图 1 简化的带进气道的燃烧室基本结构

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在对模型计算时使用空气作为燃烧室的氧化剂，燃料为航空煤油(组分为C8H18)，湍流模型采用k-epsilon双方程模型。

模型选择空气入口条件为速度入口，具体航空发动机燃烧室实验参数如表 1。

图 2 常压下燃油的比热随温度的变化关系

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模型最后需要求解的方程有：流动方程、湍流方程、能量守恒方程、辐射传输方程以及组分传输方程。

在进行耦合计算时，模型只计算湍流和速度耦合，而没有选择辐射耦合，这是因为加入辐射耦合计算后计算量程几何倍数增加，对本设计所使用的计算机的计算能力来说太大。

本文选择GAMBIT作为建立模型作为建立几何模型并且划分网格，选择CFD软件FLUENT6.3模拟仿真发动机燃烧室内的燃烧反应和流场状态。

模型使用的燃烧模型为组分传输模型，这是由于模型比较复杂，采用组分传输模型有利于在已有计算能力的基础上完成设计任务。从图 3可以看出，在模型中是否考虑燃气辐射效应对燃烧室温度场的分布影响不大，考虑辐射的燃烧室温度场的最高温度能稍低。

图 3 模型燃烧室温度场分布

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接下来分析模型中燃气辐射效应对组分浓度场的影响，由于入口边界为速度入口条件，且处于渐扩型入口，所以燃料和空气的掺混之后速度变小，燃烧几乎分布于整个燃烧室。

如图 4所示，在模型中考虑燃气辐射效应与否对燃烧室内组分浓度的分布影响不大，煤油在燃烧室内均匀的燃烧，燃烧效果比较理想，经过比对，发现火焰锋面程成对称流线型分布，符合实际情况下发动机燃烧室内燃料的燃烧的状况。

图 4 模型燃烧室各组分的浓度分布

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由于模型入口速度不是很高，但是由于燃气的受热膨胀以及模型燃烧室内的节流作用，会使出口速度发生变化，如图 5所示。

图 5 模型燃烧室速度的等值线

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由图 5可以看出燃气的辐射效应对燃烧室的速度分布影响不大。而由于燃烧升温，使燃烧室内气体膨胀再加上模型的进出口的节流作用，导致在燃烧室出口流体的速度是进口的几乎十倍。

图 6为燃烧室壁面热流沿着X轴方向的变化。

图 6 模型不考虑辐射时燃烧室壁面热流变化

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由于模型的壁面不平行于X轴，所以在X轴0.1~0.2 m间有一列竖直向下的点，这是由于模型此处有壁面的原因造成的。由图 6、7可以看出在模型中，燃气辐射对壁面热流影响不大，这是由于在模型中使用的是连续模型，由此可以得出燃气中的颗粒效应对辐射有很大的影响，从而使得模型的壁面热流产生了巨大的区别。

图 7 模型考虑辐射时燃烧室壁面热流变化

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模型同样选择流场定压比热为代表性的参数，分析由于燃烧升温对流场物性参数的影响。

由图 8可以看出辐射对流场混合气体的定压比热影响不明显，但是在同一个流场中，由于燃烧升温对混合气体的影响就相当显著了，这说明燃气的物性参数对温度相当敏感，这就要求在进行仿真模拟时对各物性参数要仔细设置。

图 8 模型流场混合气体定压比热等值线

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本节对前期建立的模型进行了仿真计算并得到了结果，通过仿真结果的对比分析得出了燃气辐射效应对模型的影响以及产生这种影响的原因。通过对比分析燃烧室内温度场、组分浓度场、物性参数以及速度场的不同和变化，得出各种参数的设置以及各种模型的确立对实验的影响，提出改进仿真的意见和建议。

本文针对某小型航空发动机燃烧室结构进行了适当简化，并利用商业软件FLUENT数值仿真方法计算其典型工况下燃烧室内温度场、组分浓度场以及壁面热流，对不同模型以及同一模型下不同辐射参数设置下计算结果进行对比分析，结果表明：在发动机燃烧室中燃气的辐射效应对燃烧室内各物理量的分布具有重要的作用；同时通过对模型设置不同边界条件，对比仿真结果并分析各边界参数对数值模拟的影响以及产生这种影响的原因。通过这些工作初步建立了发动机燃烧室内燃气辐射换热数值计算方法，并了解了不同条件参数对数值模拟结果的影响。

1)不同燃烧模型在计算燃烧室内辐射热环境时会产生差异，组分传输模型计算速度快但是会有一定失真，非预混模型比较符合实际但是计算量大。反映在结果上(如图 3、4)，组分传输模型燃烧很快，这是因为其采用的是一步总包反应，而非预混模型考虑到了实际燃烧的反应机理，所以计算较慢。

2)对同一模型分别考虑燃气颗粒的辐射效应和不考虑其辐射效应的仿真结果进行对比，发现不论是其温度场、组分浓度场或者壁面热流等都存在着较大的差异，这是由于在燃烧室内温度比较高，在高温下燃气颗粒的物性参数会发生很大的变化，燃气颗粒尤其是发光颗粒的辐射会激增，这是在仿真燃烧室中不得不考虑的问题。

3)对不同模型的边界参数的不同设置，以及连续相与离散相模拟结果的不同进行了对比分析。边界条件的设置正确与否对数值仿真的成功有着很关键的作用，这就要求在仿真之初必须查询相关资料并就相关模型做出合理的计算和改进，才能达到预期结果。