燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

128节能基础科学NO.02 2020节能 ENERGY CONSERVATION燃气轮机燃烧室模型仿真提梦桃 谢英柏（华北电力大学动力工程系，河北 保定 071003）摘 要：目前燃气轮机由于体积小，清洁无污染而在清洁发电技术领域有较多应用。

燃烧室作为燃气轮机主要部件之一，是燃料燃烧产生热能从而通过在后续涡轮中做功输出电能的重要枢纽。

为有效提高机组的安全性及可靠性，需要针对燃气轮机系统尤其是燃烧室进行建模分析。

由于燃烧室的实际运行情况具有复杂性，因此对其进行简化处理，针对其工作的特性对其进行模拟研究。

采用模块化建模，基于能量平衡与质量平衡分析燃烧室的稳定运行工况，并且采用欧拉显式微分方程对其进行了动态数学建模。

并利用编程语言对燃烧室模型进行了编译，转化为了二次建模进而基于智能仿真平台对其运行过程中进行分析，即环境温度、环境压力以及燃料品质（燃料热值）变化对燃烧室性能的影响。

关键词：燃气轮机；燃烧室；数学建模；变工况中图分类号：TK39 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2020）02-0128-03doi ：10.3969/j.issn.1004-7948.2020.02.045Model simulation of gas turbine combustorTI Meng-tao XIE Ying-baiAbstract ：At present，gas turbine is widely used in clean power generation technology due to its small size，clean and pollution-free. As one of the main components of gas turbine，combustion chamber is an important hub for generating heat energy from fuel combustion and generating electric energy through work in subsequent turbines. In order to effectively improve the safety and reliability of the unit，it is necessary to model and analyze the gas turbine system，especially the characteristics of the combustion chamber. Because of the complexity of the actual operation of the combustion chamber，it is simplified and simulated according to its working characteristics. In this paper，modular modeling is used. Based on the energy balance and mass balance，the stable operation condition of the combustion chamber is analyzed，and the dynamic mathematical model is established by using Euler explicit differential equation. It is analyzed based on the intelligent simulation platform.Key words ：gas turbine ；combustion chamber ；mathematical modeling ；variable condition引言燃气轮机作为高效清洁、响应迅速的动力系统，得到了广泛的应用。

收稿日期：2023-02-07基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：张宏达（1988），男，博士，高级工程师。

引用格式：张宏达，韩省思，刘太秋，等.基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展[J].航空发动机，2023，49（4）：68-79.ZHANG Hongda ，HAN Xingsi ，LIU Taiqiu ，et al.Progress of combustor aerodynamic performance simulation based on very large eddy simulation[J].Aeroengine ，2023，49（4）：68-79.基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展张宏达1，韩省思2，刘太秋1，朱健1，马宏宇1，任祝寅3（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016；3.清华大学航空发动机研究院，北京100084）摘要：航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程，相关的高精度建模和数值模拟面临极大的挑战。

超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法，具备试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。

针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征，阐述了超大涡模拟的理论方法及特点，从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程，以及双旋流模型燃烧室和高温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展，对涉及的物理机制进行了分析，为超大涡模拟在航空发动机燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。

超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度，是一种经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。

关键词：燃烧室；超大涡模拟；气动性能；数值仿真；航空发动机中图分类号：V231.2文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.04.009Progress of Combustor Aerodynamic Performance Simulation Based onVery Large Eddy SimulationZHANG Hong-da 1，HAN Xing-si 2，LIU Tai-qiu 1，ZHU Jian 1，MA Hong-yu 1，REN Zhu-yin 3（1.AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015，China ；2.College of Energy and Power Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ；3.Institute for Aero Engine ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ）Abstract ：The turbulent flow and combustion in the combustor of aeroengines involved multi-scale strongly-coupled physicochemical processes such as swirling flow,atomization evaporation,mixing,chemical reaction,turbulence-flame interactions,etc.The relevant high-fidelity modeling and numerical simulation face with great challenges.Very Large Eddy Simulation Method,i.e.VLES,was a newly-devel⁃oped numerical method in recent years with a good balance in robustness,computational accuracy,and efficiency.It has the ability to simu⁃late complex turbulent flow and combustion from laboratory scale to complex engineering application scenarios.According to the character⁃istics of flow and combustion in the chamber,the fundamental theoretical framework and characteristics of VLES method are presented,and the research progress of high-fidelity numerical simulation application of VLES is introduced from typical multi-scale physicochemical processes including swirling flow,turbulent combustion,liquid atomization,soot,combustion instability,etc.and integrated aerodynamicperformance simulations of double-swirl model combustors as well as high-temperature-rise combustors.The physical mechanism in⁃volved is analyzed,which provides solid support for the large-scale engineering application of VLES technology for aeroengine combustors.The VLES method has a comparable simulation accuracy as the traditional large eddy simulation method under the condition of low compu⁃tational resource consumption.Thus,it is an economically affordable new method for high-fidelity numerical simulation for the aerodynam⁃ic performance of combustors.Key words ：combustor;very large eddy simulation;aerodynamic performance;numerical simulation;aeroengine第49卷第4期2023年8月Vol.49No.4Aug.2023航空发动机Aeroengine张宏达等：基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展第4期0引言燃烧室是航空发动机的核心部件之一，燃烧室气动性能对整机性能起到至关重要的作用[1-2]。

第24卷第1期　2004年2月动力工程POW ER EN G I N EER I N GV o l .24N o.1　Feb .2004　收稿日期:2002212230作者简介:张文普(1971-),男,西安交通大学讲师,博士。

主要从事动力机械中的燃烧流动,燃烧污染排放与控制方面的研究。

文章编号:100026761(2004)0120037204燃气轮机环形燃烧室内燃烧流动的数值模拟张文普,　丰镇平(西安交通大学叶轮机械研究所,西安710049)摘　要:对一个复杂的GE 2F 101型工业燃气轮机环形燃烧室,采用R eyno lds 应力湍流模型(R S M )、EBU 2A rrhen iu s 湍流燃烧模型和六通量热辐射模型描述其燃烧流动,应用FLU EN T 软件进行了三维化学反应流场的数值模拟研究。

研究结果表明:旋流和燃料进口射流对燃烧室流内温度和流场分布有着重要的影响;利用数值手段得到燃烧室出口的温度分布以判断其能否满足透平叶片进口温度的要求是可行的;燃烧室工作压强对出口的NO 分布有着重要影响。

在燃用气体燃料时,燃气轮机的NO 排放主要来自于热NO ,瞬时NO 只占很小一部分。

图11参6关键词:燃烧学;燃气轮机;燃烧室;燃烧特性;数值模拟中图分类号:T K 16 文献标识码:ANum e rica l S i m ula tion of Thre e 2D i m e ns iona l C om bus tion F lowin a G a s Turb ine Annula r C om bus to rZH A N G W en 2p u ,　F EN G Z hen 2p ing(In stitu te of T u rbom ach inery ,X i’an J iao tong U n iversity ,X i’an 710049,Ch ina )Abs tra c t :T h ree 2di m en si onal reactive flow in a com p lex annu lar com bu sto r of GE 2F 101gas tu rb ine w asstudied num erically u sing the zonal structu red grids and FLU EN T softw are .T he R S M R eyno lds 2stress tu rbu lence m odel .T he EBU 2A rrhen iu s tu rbu len t com bu sti on m odel ,and six 2flux heat radiati on m odel w ere app lied to p redict the real com bu sti on flow in the com bu sto r .T he num erical resu lts indicate :the s w irl flow and fuel jet conditi on at com bu sto r in let affect strongly the flow field and tem p eratu re distribu 2ti on in the com bu sto r ;the ex it tem p eratu re distribu ti on by num ericalm ethod can be app lied to esti m ate the com bu sto r ex it tem p eratu re to satisfied tu rb ine request ;the influences of p ressu re on com bu sti on flow s and NO concen trati on in the ou tflow is i m po rtan t ;the therm al NO is crucial p art of the gas tu rb ine NO e 2m issi on as the p rom p t NO is s m all p art of the NO em issi on .F igs 11and refs 6.Ke y w o rds :com bu sti on science ;gas tu rb ine ;com bu sto r ;com bu sti on characteristics ;num erical si m u la 2ti on 燃烧室是燃气轮机的重要组成部分,燃烧室内燃烧流动情况直接影响到燃气轮机的性能和排放[1]。

燃气轮机燃烧室流场模拟研究燃气轮机（Gas Turbine）是一种利用高温高压气体驱动涡轮的发动机，它的核心部件是燃烧室。

燃气轮机的燃烧室是将燃料和氧气混合后进行燃烧，从而产生高温高压气体驱动涡轮转动的空间。

因此，燃烧室的性能和效率关系到整个燃气轮机的运转效果。

针对燃气轮机燃烧室流场的模拟研究是燃气轮机研究过程中的重要内容。

一、燃气轮机燃烧室流场模拟的目的燃气轮机燃烧室流场模拟的目的是为了了解燃烧室内的流场特性，探究燃烧室内部气体混合、燃烧过程、温度分布、流速分布以及压力分布等，以此为基础对燃烧室进行优化设计。

此外，模拟研究可以提供燃烧室内部流场参数的定量分析，为燃气轮机的优化提供依据，使燃气轮机的性能和安全达到最佳状态。

二、燃烧室流场模拟的方法经过实验室试验和计算机模拟等多种方法的发展，目前研究燃烧室流场模拟主要采用数字计算流体力学（Numerical CFD）方法和物理实验相结合的方式。

数字计算流体力学方法（CFD）是将流动场模型化、离散化、建模和数值求解的一种方法。

对于燃气轮机燃烧室设计，数字计算流体力学方法能够提供相应参数的定量分析，避免了繁琐和昂贵的物理实验以及一些难以掌握的流动规律。

物理实验方法是燃烧室流场研究中另一种常用的方法。

相对于CFD方法，物理实验方法能够更全面、更直观地了解流场特性，但物理实验不仅需要昂贵的设备和实验场所，同时时间和空间上也存在较大限制，所以目前在燃气轮机燃烧室流场模拟中较少使用。

三、燃气轮机燃烧室流场模拟的关键技术燃气轮机燃烧室模拟的关键技术主要包括以下内容：1.网格划分。

燃烧室内部的复杂形状和复杂流体运动使得模拟过程必须采用合适的物理模型，而物理模型需要良好的网格划分作为依托。

合适的网格划分可以减小模拟误差，缩小模拟误差的范围。

2.燃烧模型。

燃烧室的燃烧过程是整个气流系统的最重要部分，对燃烧过程的模拟需要采用详实的燃烧模型，以此来了解燃烧过程中发生的化学反应；同时对于燃烧模型来说，其准确性和完整度也是非常重要的。

燃气轮机燃烧室的数值模拟与优化燃气轮机是一种高效的能源转换设备，它通过将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，实现动力的传递。

燃气轮机的燃烧室是燃烧过程发生的关键区域，其设计的合理与否对燃气轮机的性能具有重要影响。

为了提高燃气轮机的效率和可靠性，数值模拟与优化成为目前燃气轮机燃烧室设计的重要手段。

燃气轮机燃烧室的数值模拟是利用计算机仿真的方法，通过数学模型和计算流体力学方法等对燃气轮机燃烧室内流场、燃烧过程、温度分布等进行模拟与计算，以获取燃烧室内的详细信息。

通过数值模拟可以得到燃烧室的温度场、压力场、速度场等物理量分布，判断燃烧室内的燃烧稳定性和温度分布的均匀性，并提供燃烧室设计的参考依据。

燃烧室的优化是指通过对数值模拟结果进行分析，结合经验和实验数据，改进现有燃烧室的设计，提高其性能和环保指标。

燃气轮机燃烧室的优化主要包括以下几个方面。

首先，燃烧室的几何形状对燃烧效果有重要影响。

通过数值模拟可以得到燃烧室内的速度场、温度场等分布，进而分析燃烧室内流动的特点。

通过对几何形状的优化，可以改善燃烧室内的流动状态，提高燃料的混合程度，使燃烧更加充分，提高热效率。

其次，燃烧室的燃烧过程对机组的性能和排放有很大影响。

数值模拟可以模拟燃烧室的燃烧过程，包括燃料的注入、燃烧过程中的火焰传播、燃料的完全燃烧等。

通过对燃烧过程的模拟，可以分析燃烧室内的燃烧稳定性，检测火焰的传播速度和燃料的燃烧程度，并优化燃烧室的燃烧参数，提高燃烧效率和降低排放。

最后，燃烧室的冷却方式对机组的可靠性有重要影响。

数值模拟可以模拟燃烧室的温度分布，包括壁面温度和冷却气体的温度。

通过对温度分布的模拟，可以确定燃烧室的冷却方式和冷却气体的供应位置，优化冷却方案，避免燃烧室的过热和烧毁，提高机组的可靠性。

总之，燃气轮机燃烧室的数值模拟与优化是提高燃气轮机性能和可靠性的重要手段。

通过数值模拟可以获取燃烧室内的详细信息，进而优化燃烧室的几何形状、燃烧过程和冷却方式，提高燃气轮机的效率和可靠性。

燃气轮机燃烧室内部流动特性数值模拟分析一、燃气轮机燃烧室概述燃气轮机作为现代工业和能源领域中的重要动力设备，其燃烧室是整个燃气轮机系统中最关键的部分之一。

燃烧室的性能直接影响到燃气轮机的效率、排放和稳定性。

在燃气轮机燃烧室内，燃料与空气混合后在高温高压的环境下进行燃烧，产生高温高压燃气，推动涡轮做功。

为了提高燃气轮机的性能，对燃烧室内部流动特性进行深入研究和优化是至关重要的。

1.1 燃气轮机燃烧室的功能与重要性燃气轮机燃烧室的主要功能是实现燃料的高效燃烧，将化学能转化为热能，进而推动涡轮旋转。

燃烧室的设计和性能直接影响到燃气轮机的整体效率和排放水平。

一个高效的燃烧室可以减少燃料消耗，降低有害排放，提高燃气轮机的经济性和环保性。

1.2 燃烧室内部流动特性的研究意义燃烧室内部流动特性的研究对于优化燃烧室设计、提高燃烧效率、降低排放和增强燃气轮机稳定性具有重要意义。

通过数值模拟分析，可以预测和分析燃烧室内的流动、混合和燃烧过程，为燃烧室的设计和改进提供科学依据。

二、燃烧室内部流动特性数值模拟方法数值模拟作为一种有效的研究手段，可以模拟和分析燃烧室内部复杂的流动和燃烧过程。

通过建立数学模型和使用计算流体动力学(CFD)软件，可以对燃烧室内部流动特性进行详细的模拟和分析。

2.1 数值模拟的理论基础数值模拟的理论基础主要包括流体力学、热力学、化学反应动力学等。

这些理论为模拟燃烧室内部流动特性提供了必要的物理模型和方程。

通过求解这些方程，可以预测燃烧室内的流场、温度场、浓度场等物理量分布。

2.2 计算流体动力学(CFD)的应用计算流体动力学(CFD)是一种用于模拟流体流动和热传递过程的数值方法。

在燃气轮机燃烧室的研究中，CFD可以用来模拟燃烧室内的流动、混合、燃烧和热传递过程。

通过CFD软件，可以构建燃烧室的几何模型，设置边界条件和初始条件，进行网格划分，然后求解流体力学和热力学方程。

2.3 燃烧模型的选择与应用在进行燃烧室内部流动特性数值模拟时，选择合适的燃烧模型是关键。

航空发动机1引言燃气轮机燃烧室的传统设计方法主要是依靠经过分析、总结的大量试验数据后，得到的经验公式，而由此设计出的方案还要再通过反复试验来验证、完善及筛选。

因此，传统燃烧室设计需要耗费大量时间、人力、物力和财力[1]。

近来，计算流体力学和计算燃烧学的迅速发展以及计算机商业软件的广泛应用，使得以计算机模拟、诊断技术研究为主的新型设计方法逐步趋向成熟，虽然目前还不能替代传统的设计方法，但可作为辅助设计手段，以缩短燃烧室设计周期，减少设计费用。

本文在已有燃烧室试验结果的基础上，使用Fluent 软件，对R0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒内部的流场进行了全尺寸的三维数值模拟计算，并与试验结果进行了比较分齐兵（1981），男，主要从事燃气轮机燃烧室设计工作。

收稿日期：2008-05-13R0110重型燃气轮机燃烧室三维数值模拟齐兵，金戈，顾铭企（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）摘要:采用SIM PL E 算法，应用带有旋流修正的k-ε双方程湍流模型及有限速率/涡耗散化学反应模型，对R 0110重型燃气轮机逆流环管型燃烧室单个火焰筒进行了三维数值模拟计算。

将计算出的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温与试验结果进行了对比分析。

燃烧室进口流量、温度、压力等气动参数均与试验时保持一致，火焰筒各部分空气流量也均按火焰筒空气流量分配试验结果给定。

计算和对比分析的结果表明，计算得到的燃烧室出口温度场的分布、品质及火焰筒壁温分布与试验结果比较接近。

关键词：燃烧室；数值模拟；重型燃气轮机；温度场；品质；壁温3D Numerical Simulation of R0110Heavy Duty Gas Turbine CombustorQI Bing,JIN Ge,GU Ming-qi(Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China)Abstract:3D numerical simulation of the single liner was performed for the R0110heavy duty gas turbine reverse-flow cannular combustor using SIMPLE algorithm based on k-εtwo-equation turbulent model with turbulent corrected and finite-rate/eddy dissipation chemistry reaction model.The comparative analyses between the calculation and experiment results with the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the linerwall temperature were conducted.The aerodynamic parameters of the combustor inlet flow,temperature and pressure etc.were consistent with the test values.The air flow distributions of the liner were determined according to the experimental results.The results of the calculation and comparative analysis show that calculation results of the distribution and quality of the combustor exist temperature field and the distribution of liner wall temperature approach to the experimental results.Key words:combustor;numerical simulation;heavy duty gas turbine;temperature field;quality;wall temperature28/292009年第35卷第4期Vol.35No.4Aug.2009航空发动机析，主要目的是评估计算结果与试验结果的一致性，同时也为今后同类型燃烧室计算积累经验。

燃气轮机燃烧控制原理摘要：燃气轮机是装备制造业的高端装备，典型结构如图1所示，被誉为现代工业皇冠上的明珠，是多学科先进技术的高度集成，是国家高科技水平的重要标志。

燃气轮机的燃烧控制包括燃料气量控制和空气量控制两大方面，涉及燃料气阀控制、VGV控制、启动控制、变工况控制等方面内容。

其中燃料气阀流量特性曲线的测定及燃烧控制系统中的启动升速燃气分配曲线、升速燃气分配曲线、VGV开度曲线、匹配燃气阀动作的阀门开度-燃烧功率曲线是燃烧控制的核心。

不同的机组、不同的安装使用环境，需要按照实际情况对上述曲线参数进行优化调整，以保证机组在启动、不同负荷段运行、变工况调整情况下的稳定运行。

关键词：燃气轮机；燃烧控制；原理图1典型燃气轮机结构1燃气轮的分析燃气轮机作为一种高效的动力机械，广泛应用于发电，工业驱动，船舶动力等领域，然而中国尚未完全掌握其研发和制造技术，特别是大功率燃气轮机，其市场一直被通用电气，西门子等国外公司垄断。

此外，随着各国对环境保护愈来愈重视，对燃气轮机的排放水平要求也更加严格，因此低排放燃气轮机更加受到重视。

燃气轮机由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成。

燃烧室把来自前端压气机的一部分压缩空气和喷入其中的燃料进行混合，形成的可燃气体混合物在火焰筒内部被点燃，并在定压条件下充分燃烧，形成高温燃气，燃料的化学能在燃烧室内被转化为燃气的热能。

高温燃气与另一部分压缩空气混合均匀后进入后端的涡轮中膨胀做功，所转化成的机械能，一部分用于带动压气机转动，另一部分用于输出轴功。

燃气做功后形成的尾气或者为联合循环的余热锅炉提供热源，或者直接排入到大气环境中。

燃气轮机所排放的主要气体污染物包括氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）和未燃碳氢化合物（UHC）等。

CO和UHC在具有充足的化学反应时间和足够高的燃烧温度的条件下可进一步氧化为二氧化碳和水，对固定式燃气轮机这两种排放物的排放水平相对容易控制。

相对难以控制的气体污染物是NOX，其过量排放破坏臭氧层，还会引起光化学烟雾，对环境和人类健康造成很大的危害。