当前位置：文档之家 › 燃烧室结构的热-声-振耦合特性模拟分析研究

燃烧室结构的热-声-振耦合特性模拟分析研究

  • 格式：pdf
  • 大小：1.54 MB
  • 文档页数：12

下载文档原格式

  / 12

合集下载

薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证

薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证

薄壁结构在热声载荷下的疲劳寿命分析与试验验证王建;沙云东【摘要】数值研究了热声载荷作用下薄壁结构的动态响应,并开展了薄壁结构的热声激振试验,获取了薄壁结构的热模态频率与不同热声载荷下的动态响应结果.采用热声疲劳寿命预估模型,仿真分析了薄壁结构疲劳寿命随声压级和温度的变化规律.试验与仿真结果对比表明,试验与仿真的模态频率具有一致性,应变响应量级相同.屈曲系数由0增加到1.8,GH188金属薄壁结构疲劳寿命呈先降低后增大趋势.验证了热声试验方法的合理性与可靠性,以及薄壁结构热声响应仿真方法与模型的有效性.薄壁结构在屈曲前/后过程中表现出稳定-失稳-再稳定的过程.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2017(030)003【总页数】6页(P11-15,5)【关键词】航空航天;薄壁结构;热声载荷;疲劳寿命;试验验证;屈曲;模态频率【作者】王建;沙云东【作者单位】沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】V241.3experimentalverification；buckling；modal frequency航空航天薄壁结构在高温强噪声载荷作用下会使结构产生复杂的大挠度非线性响应[1-5]和快速交变应力，严重影响结构的疲劳性能，降低疲劳寿命。

这类问题也是航空航天薄壁结构在结构强度设计中的主要内容，故而开展高温强噪声作用下薄壁结构的振动响应仿真与热声疲劳寿命预估十分重要。

针对航空航天薄壁结构热声响应及疲劳问题，国外学者以及研究机构对薄壁板壳，尤其以四边固支矩形薄板为主要试验件做了大量的试验研究。

NASA Langley研究中心和美国空军W right-Patter⁃son飞行动力学实验室(AFFDL)为研究热声载荷下薄壁板结构的响应特征，采用行波管对铝板进行了热声试验[6]。

ansys热流双向耦合+结构单向耦合

ansys热流双向耦合+结构单向耦合

ANSYS软件是一种强大的有限元分析软件，广泛应用于工程领域的热流双向耦合和结构单向耦合分析。

本文将从热流双向耦合和结构单向耦合的基本原理、ANSYS软件的应用方法以及应用案例等方面进行介绍和分析。

一、热流双向耦合的基本原理1. 热流双向耦合是指热传导和流体流动之间相互影响的耦合分析方法。

2. 在热流双向耦合分析中，热传导和流体流动之间存在相互影响的物理过程。

热传导会导致流体的温度分布发生变化，而流体的流动又会影响热传导的过程。

3. 热流双向耦合分析可以用于模拟汽车发动机的冷却系统、航空发动机的燃烧室等工程问题，对于研究热传导和流体流动之间的复杂耦合现象具有重要意义。

二、结构单向耦合的基本原理1. 结构单向耦合是指结构应力和温度之间的单向耦合分析方法。

2. 在结构单向耦合分析中，结构的应力状态会随着温度的变化而发生变化，而温度的变化不会受到结构应力的影响。

3. 结构单向耦合分析可以用于模拟航空航天器在进入大气层时的热应力行为、电子器件的热机械性能等工程问题，对于研究结构应力和温度之间的复杂耦合现象具有重要意义。

三、ANSYS软件的应用方法1. ANSYS软件是目前应用最为广泛的有限元分析软件之一，具有强大的热流双向耦合和结构单向耦合分析功能。

2. 在进行热流双向耦合分析时，可以利用ANSYS软件中的流体动力学模块和热传导模块进行耦合求解，得到热传导和流体流动的相互影响结果。

3. 在进行结构单向耦合分析时，可以利用ANSYS软件中的结构分析模块和热分析模块进行耦合求解，得到结构应力和温度之间的单向耦合结果。

四、应用案例分析1. 以汽车发动机冷却系统为例，可以利用ANSYS软件进行热流双向耦合分析，研究冷却水在发动机中的流动和散热过程，为发动机的热管理设计提供依据。

2. 以航空航天器进入大气层时的热应力行为为例，可以利用ANSYS 软件进行结构单向耦合分析，研究航空航天器在高速进入大气层时的热应力分布，为材料选型和结构设计提供依据。

高温氢气燃烧的燃烧室设计与性能分析

高温氢气燃烧的燃烧室设计与性能分析

高温氢气燃烧的燃烧室设计与性能分析概述：在现代工业中，氢气作为一种清洁的能源被广泛应用。

而高温氢气燃烧的燃烧室设计与性能分析是确保燃烧过程的效率、稳定性和安全性的重要步骤。

本文将详细介绍高温氢气燃烧的燃烧室设计方法以及性能分析的关键参数。

一、燃烧室设计1. 燃烧室类型高温氢气燃烧室的设计可分为绝热型和冷却型两种。

绝热型燃烧室通过表面绝热层的保护，实现热量的不外传，提高燃烧温度和效率。

冷却型燃烧室则利用冷却剂对燃烧室进行冷却，防止高温引起燃烧室的热损失。

2. 燃烧室形状高温氢气燃烧室的形状对燃烧过程的效率和性能有着重要影响。

燃烧室通常采用圆形、方形、二维、三维等多种形状。

不同形状的燃烧室对于燃气的流动、混合和燃烧过程有着不同的影响。

3. 燃烧室尺寸燃烧室的尺寸直接影响着燃烧过程的稳定性和能量转化效率。

过小的燃烧室会导致燃气的流动受限、燃烧不完全等问题；而过大的燃烧室则会增加燃气的稀释和燃烧时间，降低燃烧效率。

二、性能分析1. 燃烧效率燃烧效率是衡量燃烧室性能的重要指标。

燃烧效率高意味着燃气能够被充分燃烧，产生更多的热能。

提高燃烧效率可以采用优化燃气喷射和气体混合设计、增大燃气流速、提高氧气浓度等手段。

2. 热传导和热损失燃烧室的热传导和热损失是燃烧过程中需要考虑的重要问题。

优化燃烧室的材料选择、结构设计以及绝热层的应用可以减少热传导和热损失，提高燃烧室的热效率。

3. 振动和噪音高温氢气燃烧室在运行过程中会产生振动和噪音，降低燃烧室的稳定性和工作效率。

通过采用减振和降噪技术，如增加缓冲装置、采用材料隔音等方法，可以有效地减少振动和噪音的产生。

4. 进气和排气燃气的进气和废气的排出对于燃烧室性能的影响也非常重要。

合理的进气系统设计和排气系统排放控制可以保持燃气的稳定供应和对环境的友好。

结论：高温氢气燃烧的燃烧室设计与性能分析是确保燃烧过程效率、稳定性和安全性的关键。

通过合理的燃烧室设计，考虑燃气的流动、混合、燃烧效果以及热传导、振动、噪音等问题，可以优化燃烧室的性能，提高能源利用效率，保护环境。

火灾下钢框架结构的热-结构耦合非线性分析

火灾下钢框架结构的热-结构耦合非线性分析
计算 模 型为 １层 空间框 架结 构 ， 高 ３ｍ， 向 １ ， 间距 ３ ６ｍ。 向梁 ２跨 ， 间距 ５ ５ｍ， 层 纵 跨 柱 ． 横 柱 ． 所有 柱脚 固结 ． 顶受 集 中荷载 ７ Ｎ， 有横 梁受 均布 荷载 ２ Ｎ／ 梁 和柱 均为 标准 工型 截 面 ， 柱 ５ｋ 所 ５ｋ ｍ． 尺寸 如表 １ 示 ． 所
析 方法 和子 结构 模 型抗 火分析 方法 ， 于试验 的分 析方 法 费用 昂贵 ， 且 ， 件模 型 和 子 结构 模 型 很难 模 拟 基 并 构 构 件在 整体 结构 中的荷 载分 布和 大小 、 端部 约束等 情况 ． 因此 ， 空间框 架进 行整 体抗 火非 线性 反应 研究 ， 对 具
ｔ ｎｉ ｅｍ ｅｔ ｎｉ ｎ ｎｉｅｒ ａ ｄｊｉｔｓｔｅ ａ ｎ ｔｅ ｆ ｍｅ ｉ ｅｉ ａｃ ． ｉ ｂ ａ ｓｃｉ ｏ ｌ ａ ， ｎ ｎ ｋｌ ｋｉ ｓｅｌｒ ｒ ｒｓ ｔｎ ｅ ｏ ｎ ｏ ｓ ｎ ｏ ｉ ｈ ｗｅ ｉ ｎ ａ ｆｅ ｓ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ａｙ ｉ ；ｈ ｒ ｌ ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｌｓｓ ｓｅ ｌ ｒ ｍｅ ｆ ｅ ｒ ｓ ｔ ｎ ｅ ｙ ｒ ｓ ｎ ｎ ｉ ａ ｎ ｌ ｓｓ ｔ ｅ ｍａ ｒ ｃｕ ｅ ａ ａｙ ｉ ； ｔ ｅ ａ ；ｉ ｅ ｉ ａ ｃ ｎ ｓ ｆ ｒ ｓ
Ｎｏ ｌｎ ａ ｓ ａ ｃ ｔ ｅ ｍ ａ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｉ ｅ ｒ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｗｉｈ Ｔｈ ｒ ｌＳ ｒ ｃ ｕ ｅ Ａｎａ ｙ ｅ ｌｓｓ
ｏ ｔｅ Ｆ ａ ｕ ｊｃ ｏＦｒ ｆ ｅｌ ｒｍｅＳ ｂ ｔ ｉｅ Ｓ ｅ ｔ
ＴＡＮＧ ｎ． Ｌａ ＺＨＡＮＧ ． ｉ Ｘｉｂ ｎ
有 重要 的理 论 意义 和工 程实用 价值 ．
笔者使用 Ａ Ｓ Ｓ大型有限元分 析软件 ， ＮＹ 考虑结构 的几何非线性和材料非线性 ， 对火灾下的钢框架结构

机械工程中航空发动机燃烧室的热流场分析

机械工程中航空发动机燃烧室的热流场分析

机械工程中航空发动机燃烧室的热流场分析航空发动机是现代航空运输的基础设备，其中燃烧室是发动机的核心部件。

燃烧室内的热流场分析对于发动机的性能和可靠性具有重要意义。

本文将探讨机械工程中航空发动机燃烧室的热流场分析，重点介绍燃烧室内的热流动现象、热负荷分布以及燃气温度等关键参数的计算方法。

1. 热流动现象的分析燃烧室内的热流动现象主要包括燃烧室内部的热辐射、对流和传导。

燃烧室内部的燃烧过程产生的高温气体通过排气口排出，同时燃烧室内壁面与燃气之间的热传导和对流也会导致热量的传输。

因此，对于热流场分析来说，需要考虑不同机构的热辐射应用、对流传热特性和热传导过程。

2. 热负荷分布燃烧室内的热负荷分布是热流场分析的关键参数之一。

热负荷分布决定了燃烧室内不同部位的热量转移情况，对于热流场的分析与设计具有重要影响。

在燃烧室内，燃气温度、压力、速度等因素会影响热负荷的分布，因此需要对这些因素进行综合考虑，以得到准确的热负荷分布。

3. 燃气温度分析燃气温度是机械工程中燃烧室热流场分析的另一个重要参数。

燃气温度的高低会直接影响到发动机的性能和寿命。

燃气温度的分析涉及到燃烧室内的燃烧过程、燃气的组成和燃料的燃烧效率等因素。

通过数值模拟和实验测试等方法，可以得到燃气温度分布图，并对其进行分析和评估。

4. 计算方法与实验验证对于航空发动机燃烧室的热流场分析，计算方法与实验验证是不可或缺的。

计算方法主要通过建立数学模型来模拟和计算燃烧室内的热流动现象，其中包括雷诺平均湍流模型、湍流燃烧模型等。

通过数值方法计算得到的结果可以提供参考，但是需要通过实验验证来验证其准确性和可靠性。

5. 工程应用与发展趋势热流场分析在航空发动机研发与设计中具有重要应用价值。

通过对燃烧室内热流动现象、热负荷分布和燃气温度等参数的分析，可以改善燃烧室的设计，提高发动机的效率和寿命。

未来，随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的改进，航空发动机燃烧室的热流场分析将更加精确和可靠。

基于FLUENT计算的某燃气热水器噪声消除的模型选择分析

基于FLUENT计算的某燃气热水器噪声消除的模型选择分析

基于FLUENT计算的某燃气热水器噪声消除的模型选择分析*赵 维1，王 超2，苗 楠2，杨晓东2，毛艳辉3（1.天津中德应用技术大学，天津 300350；2.威能（无锡）供热设备有限公司，江苏 无锡 214028；3.宁波工程学院，浙江 宁波 315000）摘 要：所有设备在有介质流动时就会有噪声。

以某种燃气热水器为例，该热水器在以G31（丙烷）为燃料时，在高负荷状态工作下，设备会产生啸叫声。

为了解决该燃气热水器实际燃烧过程中的啸叫现象，文章通过CFD方法，对燃气热水器噪声问题求解时，涉及到的相关模型进行对比分析，在研究模型的合理性的基础上确定最终的模型选择方案。

关键词：FLUENT模拟；燃气热水器；噪声消除中图分类号：TS914.25 文献标志码：A文章编号：1672-3872（2017）10-0017-031 研究背景在燃气热水器中，当仅有空气燃烧室内流动时，空气会与热水器壁面，以及空气流剪切层之间漩涡碰撞、破碎，都会产生噪声，噪声的产生必然有一部分能量转化为声能，造成能量损失，这些属于气动噪声。

如果发生燃烧过程，燃烧产生的热量与压力耦合会进一步激化气动噪声的强度，当燃烧引发的波动与气体波动频率一致，会形成热声震荡，使燃烧室热应力不均，引发燃烧设备结构的热疲劳，影响设备使用寿命。

计算流体力学方法计算噪声主要应用于风力电站的大型叶片噪声、汽车车身各部件如车厢底板、车灯、天窗、尾翼、整车等产生的气动噪声，以及余热锅炉内蒸汽流动对换热器产生的噪声，轴流风机噪声、空调室内机噪声等。

2 计算模型分析燃气热水器噪声问题求解时，涉及到气流的流动，要选择合理的流动模型；考虑燃烧时的化学反应，则需要选择合理的燃烧模型；对于噪声，要分析热水器噪声产生根源与频率范围，就需要选择相应的噪声模型。

2.1 流动模型流动模型是采用计算流体力学解决问题时，面临的最基本问题，因为工程中几乎所有问题都是在湍流情况下发生的。

对于该热水器在t=20℃时，空气的运动粘度v=15.06×10m2/s，风机进入火排流经的空气孔直径为2.8mm，当湍流临界雷诺数为2300时，得到对应的临界湍流速度为12.3m/s，当燃烧后，热燃气密度减小，速度更大，因此热水器内气流运动作为湍流问题考虑。

锅炉燃烧系统的声学固有频率分析


解。
6
结
语
本文从理论上分析了锅炉简化模型的声学模态和对应 的固有频率。同时通过对较复杂系统模态实例的分析，说明 了燃烧系统模态复杂性和固有频率的多样性。 当这些繁多的 固有频率中某一个外部激励源频率吻合， 或者与热声过程耦 合时，则该固有频率被激发，产生大幅燃烧振荡。 由于锅炉燃烧系统模态和固有频率的复杂性， 在系统发 生燃烧振荡时， 究竟哪一个固有频率被激发具有很大的不确 定性，因此必须通过理论计算结合实验测量，对炉膛、燃烧 器、管道进行全面综合分析。确定被激发的固有频率和模态 后， 即可采取相应的针对措施排除燃烧振荡。 □
图5
发生 Helmhotz 振荡的 125 GJ/h 热水锅炉[11]
4
燃烧器与炉膛耦合
由于实际燃烧设备都有许多管道设备与炉膛相联结， 因
2
炉膛和烟道的风琴管模态
由声学原理可知，对于一端开口一端闭口的长管，具有
此，在某些情况下，管道和炉膛耦合可能作为一个整体具有 新的模态和固有频率。如 在图 6 所示燃烧器/炉膛系统中[12]，
[1] [2] [3]
参 考 文 献
Wiehn H. 燃烧室内的振动[A]. 电站锅炉振动译丛 [C]. 第一机械 工业部情报所, 1975. Lieuwen T. Combustion driven oscillations in gas turbines [J]. Turbomachinery International, 2003, 44(1): 16～18. Putnam A A. Combustion and Furnace Noise [A]. Handbook of Industrial Noise Control [C]. New York: Industrial Press Inc., 1976. 439～472. [4] [5] [6] [7] [8] [9] 程显辰. 脉动燃烧[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1994. 马大猷. 现代声学理论基础[M]. 北京: 科学出版社, 2004. 沈月芬, 宋晓峰, 曹子栋. 国产 50 MW 燃贫煤锅炉炉膛负压脉动 的分析[J]. 动力工程, 1999, 19(4): 251～254. Chen Y N. 管式热交换器中由于流动形成卡门涡流街所引起的噪 音和振动[A]. 电站锅炉振动译丛[C].第一机械工业部情报所,1975. Berg, M. Furnace Vibration: Causes and Remedies [J]. Combustion, 1973, 45(6): 21～30. Eisinger F L. Eliminating thermoacoustic oscillations in heat exchanger and steam generator systems [J]. Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, 1999, 121(4): 444～452. [10] 何祚镛, 赵玉芳. 声学理论基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 1981. [11] Oppenberg V R. Resonant Vibrations in Boiler Furnaces---Recent Experience and Counter-Measures [J]. Gas Waerme International, 1978, 28(1): 32～35. [12] Eisinger F L, R E Sullivan. Case Studies of Burner/Furnace Systems Sensitive to Thermoacoustic Oscillations [A]. Flow- induced vibration: proceedings of the 7th International Conference on Flow-Induced Vibration-FIV 2000 [C]. Lucerne: Switzerland, 2000. [13] Hersman J, et al. Reduction of combustion-driven acoustic oscillations in a high-pressure steam generation boiler [A]. Proceedings-National Conference on Noise Control Engineering [C]. 1983. [14] Faulkner L L. Eliminating pulsations in blast furnace stoves and boilers [J]. Iron and Steel Engineer, 1984, 61(11): 34～39. [15] Doyle G R Lr, L L Faulkner. Three-Dimensional, Finite Element, Acoustic Modal Analysis [A]. Proceedings - National Conference on Noise Control Engineering [C]. 1982.

先进加力燃烧室设计技术综述

先进加力燃烧室设计技术综述张孝春;孙雨超;刘涛【摘要】叙述了航空发动机加力燃烧室的发展历程和现状,指出加力燃烧室设计技术的发展是航空发动机性能需求提升的结果;分析了先进加力燃烧室的主要工作特点和新设计要求,包括超高的内涵气流进口总温和极高的加力温度,要求加力燃烧室具有更低的流体损失、更轻的质量、良好的隐身性能等;研究了先进加力燃烧室的新结构和设计新技术,如气冷稳定器和喷油杆、加力燃烧室一体化设计技术、值班稳定器的演变、可调隔热屏冷却技术、隐身性能设计和数值模拟等;展望了变循环、超级、凹腔驻涡和脉冲爆震等多形式加力燃烧室的发展趋势.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2014(040)002【总页数】8页(P24-30,60)【关键词】加力燃烧室;航空发动机;气冷稳定器;一体化设计;隐身技术;数值仿真【作者】张孝春;孙雨超;刘涛【作者单位】中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015【正文语种】中文【中图分类】V231.20 引言加力燃烧室是航空发动机的重要部件。

虽然其质量只占发动机总质量的20%左右，但却能大幅增大发动机推力。

涡喷发动机采用加力燃烧室，推力增大比可达40%～50%；涡扇发动机采用加力燃烧室，推力增大比可达60%～70%甚至更高。

采用加力燃烧室能大幅增大发动机的单位迎面推力和推重比，全面改善飞机的机动性并扩大飞行包线，提高歼击机的制空能力。

因此，加力燃烧室在军用飞机的发展中占有重要地位。

20世纪40年代，德国首先在JUMO-004E发动机上采用加力燃烧室，此后加力燃烧室被广泛应用于战斗机动力装置上。

其产生源于飞机为了突破声障对发动机性能提高的要求，其设计技术随着航空发动机性能的提高而不断发展。

近年来，在高性能第4代飞机的研制过程中，对发动机加力燃烧室提出许多新的、近乎苛刻的设计要求，加力燃烧室设计技术也因此取得了迅猛发展。

微油点火燃烧器一级燃烧室结构数值模拟研究

微油点火燃烧器是利用机 械雾化使 燃油高强 度燃烧 （ １， 图 ）燃烧形成 的高温火焰使一部 分煤 粉温度迅 速升高
室 的喷 口能提 供 稳 定 的 、 流密 度 大 的高 温 火 焰 。影 热 响一 级燃 烧室 提供 高温 点火 热 源 的主 要 因 素有 以下 ３
个方 面 。
（ ）燃 油雾 化燃 烧 功率决 定 了点燃 煤 粉 热 能 的 大 １
燃烧 的 空间 ， 免 二级煤 粉 过早 与其 混合 ， 烧 室 的长 避 燃
度是 优 化设计 时 必须考 虑 的一个 因素 。
炬 进 口圆管直 径 为 ２ ０ｍｍ。煤 粉 空气 混 合 物 的温 度 ０
２ 点 火 燃 烧 过 程 的数 值 模 拟
模 拟 的微油 点火 燃烧 器一 级燃 烧室 简化 计 算 区域
Ｆ ｕ ｎ 软 件 为 平 台 ， 一 级 燃 烧 室 内煤 粉 、 气 以 及 油 火 炬 混 合 物 的 气 固 两 相 耦 合 燃 烧 过 ｌｅ ｔ 对 空
程进 行 了数值 模拟 研 究 ， 到 了在 一 定条件 下最优 的 一 级 燃烧 室结 构参 数 ， 为微 油点 火 得 可 燃烧 器 的 实体 试验 和 工业应 用提供 参考 。 ［ 关 键 词］ 锅 炉 ； 烧 器 ； 油 点 火 ； 级 燃 烧 室 ； 化 设 计 ； 值 模 拟 燃 微 一 优 数
ｍ， 均 为 ６ ｚ 均匀 性 指 数 为 ２ 平 ０／ ｍ， 。模 拟 计 算 中 ， 一
煤粉气流进 口 ＃
—
级燃 烧 室 内气 体 的 辐 射 吸 收 系 数 按 Ｗｓ ｇ —ｃｌ— ｇｍ ｅｌ
量
ｂｓｄ 算 ， ａｅ 计 其散 射 系数 近似 为 各 向 同性＿ １ 。此 外 ， 假

某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟

某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟刘富强;张栋芳;崔耀欣;崔玉峰;徐纲;朱俊强【摘要】完成了环形燃烧室从扩压器、旋流器到火焰简完整真实几何结构的建模,并进行三维数值模拟.数值计算采用有限速率/涡团耗散湍流燃烧模型、Realizable k-ε湍流模型、SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风差值格式.分析了不同负荷对流星分配、出口温度、燃烧效率、压力损失以及污染物排放的影响.在对比现场实测结果后发现,计算结果与实际燃烧室燃烧特征较为吻合.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2011(024)001【总页数】6页(P20-25)【关键词】燃气轮机;环形燃烧室;数值模拟;燃烧特性【作者】刘富强;张栋芳;崔耀欣;崔玉峰;徐纲;朱俊强【作者单位】中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海,200240;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海,200240;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TK472燃烧室是燃气轮机的核心部件之一。

其工作环境具有热负荷大、高温高速、高过量空气系数及流场复杂等特点［1］，其出口参数特征直接影响到涡轮的工作性能和寿命，不断改进燃烧室的设计，优化其性能参数是十分必要的。

但由于燃烧室内部流动、物理过程和化学反应过程非常复杂，理论分析和试验测量都有很大的局限性。

随着计算机性能的提高以及数值模拟方法的不断完善和改进，数值模拟方法逐渐得到认可，并成为燃烧室设计的重要工具［2-5］。

国际燃气轮机公司比以往更加重视燃烧室的数值模拟，比如GE提出的 ACC(Advanced Combustion Code)计划［2］和 Honeywell的 ACT(Advanced Combustion Tool)［3］计划，都采用了参数化建模方法［4-5］，在一定程度上实现了几何建模、网格生成和指定边界条件的自动化，大大缩短了燃烧室数值求解周期。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在能量守恒和小扰动的情况下，进一步可以得到热声方程[12]
(4)
∂f p ∂2 p 1 ∂2 p ∂2 ∂2 τ ij − ρ v j vi ) + i + 2 ρ − 2 − 2= ( 2 2 ∂xi ∂x j ∂xi ∂t c0 ∂xi c0 ∂t
(5)
式中：c0 为常压下的声速。方程右边第一项的二阶导数部分表示流动噪声源，第二项的一阶导数部分表 示强加在流体上的力所产生的声源， 第三项主要是不稳定燃烧声源， 同压力扰动、 密度变化和声速有关。 假设燃烧室内流体为理想介质，声波传播时是绝热过程，声压远小于静压，流体密度增量远小于静 态密度，不考虑声源项时，方程(5)就简化成声波波动方程
文章引用 : 郑敏, 申凡 , 徐一鸣 , 刘涛 . 燃烧室结构的热 - 声- 振耦合特性模拟分析研究 [J]. 声学与振动, 2017, 5(2): 34-44. https:///10.12677/ojav.2017.52006
郑敏 等
收稿日期：2017年6月1日；录用日期：2017年6月16日；发布日期：2017年6月19日
∂f ∂ ∂2 pδ ij − τ ij + ρ v j vi ) =i ( ρ vi ) + ( ∂xi ∂t ∂xi ∂x j ∂xi
此外，根据燃烧室内流体质量守恒方程(连续性方程)可得
(2)
∂ρ ∂ ma + ( ρ vi ) = ∂t ∂xi
式(2)和式(3)联立后得到
(3)
∂ma ∂ 2 ρ ∂f ∂2 − 2 + pδ ij − τ ij + ρ v j vi ) =i ( ∂t ∂xi ∂x j ∂xi ∂t
Open Access
1. 引言
作为航空发动机三大核心部件之一的燃烧室，实际工作环境十分恶劣，不仅有来自发动机转子等机 械部件的振动载荷及噪声载荷，还有燃烧引起的温度载荷及燃烧噪声的作用，而且存在热、声和燃烧室 结构壁面振动的耦合现象，这种复杂的受载状况对燃烧室结构疲劳寿命和发动机正常工作有着至关重要 的影响。一方面，结构受到交变的热应力载荷易造成结构热疲劳破坏，还会造成燃烧室薄壁结构的声振 疲劳破坏[1]，影响整个燃烧室乃至整台发动机的总体寿命。另一方面，燃烧室声学特性同燃烧不稳定间 的热-声耦合作用，不仅直接影响航空发动机的工作稳定性，导致发动机熄火的危险状况发生，还会加剧 结构的振动导致燃烧室结构和零部件受损。 国内有不少学者对燃烧室的声学和振动特性做了研究，例如张冬梅[2]分别对火焰筒的振动模态和声 学模态做了模拟和实验分析，但是没有涉及声振耦合。尹帮辉等[3] [4]对燃烧室模型封闭结构和出口开口 两种情况下的燃烧室声腔和结构的固有频率和模态振型做了研究，郭晓玲等[5] [6]利用 ANSYS 计算了燃 烧室倒角对结构和声场固有频率的影响，并且研究了冷却通道对燃烧室声-固耦合特性的影响，赵银燕等 [7]采用边界元方法利用单极子声源激励得到燃烧室的模拟声-振耦合特性，李彦斌等[8]分别基于有限元直接边界元法和有限元-间接边界元法研究了随机基础激励下考虑内外声场影响的声-固耦合模型， 这些文 献考虑了空腔声学特性同结构振动之间的耦合作用。沙云东等[9]利用有限元法对薄壳结构在热声载荷下 的大挠度非线性随机响应进行了分析，并对薄壁壳结构疲劳寿命进行了估算。尽管其中一些文献对常温 和高温下结构或声模态做了研究，但是都没有涉及到燃烧产生的热和声场对声振耦合特性的影响。荷兰 Twente 大学的 Artur 等[10] [11]利用 ANSYS-CFX 研究了燃烧不稳定条件下的流-固耦合作用，对燃烧室 结构振动模态和声场模态以及结构振动响应和声压响应进行了模拟和实验分析。考虑到目前有关燃烧室
Open Journal of Acoustics and Vibration 声学与振动, 2017, 5(2), 34-44 Published Online June 2017 in Hans. /journal/ojav https:///10.12677/ojav.2017.52006
∂2 p 1 ∂2 p − 2 2 = 0 ∂xi2 c0 ∂t
根映了声压随空间和时间变化的关系，是时间 t 的二阶导数。如果要考虑三维声波波动，可以
∇2 p −
式中：∇是拉普拉斯算子。
1 ∂2 p = 0 2 ∂t 2 c0
(7)
2.2. 声-振耦合理论
在做声-振耦合计算时，必须综合考虑声场的波动方程和结构的动力学方程。因此，声场波动有限元
M S U + CS U + K S U = Fs + RP
其中，Fs 为结构所受的外载。 将以上两个方程联立，就可以得到声场同结构耦合的运动方程，用矩阵形式可以表示成[13]
(9)
MS ρ RT
0 U CS + MF P 0
关键词
热-声-振耦合，流-固耦合，模态分析，燃烧室
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
摘
要
在发动机运行过程中，燃烧室内部时刻发生着剧烈的燃烧，不可避免地存在热-声-振耦合作用，长期的 高温高压高声强工作环境会对燃烧室结构疲劳寿命和发动机正常工作产生至关重要的影响。本文利用 ANSYS-WORKBENCH 软件以单向耦合的方式对燃烧室结构的热 - 声 - 振特性进行了模拟分析，即先在 FLUENT模块中进行燃烧运算得到流体域温度场、压力场等，然后利用稳态热分析模块获得结构上的温 度场分布，最后把得到的温度场和压力场作为预应力施加给结构，对内部填充气体的燃烧室做了有预应 力的单向热-声-振耦合模态分析，也对不考虑声-振耦合的燃烧室结构做了热-振耦合模态分析，得到了8 阶模态频率和模态振型。结果表明，低阶模态主要包含了弯曲模态和扭转模态，而空腔模态在较高频率 才出现。此外，考虑声-振耦合作用得到的各阶模态频率比不考虑声-振耦合得到的模态频率要小。
Keywords
Thermo-Acoustic-Vibration Coupling, Fluid-Structure Coupling, Modal Analysis, Combustion Chamber
燃烧室结构的热-声-振耦合特性模拟分析研究
郑
1 2
敏1，申
凡2，徐一鸣1，刘
涛1
南京航空航天大学民航工程系，江苏 南京 南京航空航天大学振动工程研究所，江苏 南京
35
郑敏 等
热-声-振这三者耦合作用的研究还很少，本文利用 ANSYS-WORKBENCH 软件，将 FLUENT 模块、稳态 热分析模块、结构及模态分析模块等结合在一起，对燃烧室结构做了单向热-声-振耦合模拟分析。为了更 好地了解燃烧工况下声学因素对燃烧室结构振动特性的影响，还将热-声-振耦合同不考虑声学耦合的热振模态分析结果进行了对比研究。
36
郑敏 等
方程中需要增加结构对声场的作用，可以表示成
M F P + CF P + K F P = FF − ρ R TU
耦合矩阵；U 为单元节点位移；P 为节点声压矩阵。
(8)
其中，MF 为流体等效质量矩阵；CF 为流体等效阻尼矩阵；KF 为流体等效刚度矩阵；R 为流体和结构的 结构所受载荷包括来自声压力和结构外部两部分，因此需要将界面处的流体声压载荷加入结构的振 动方程，即
2. 理论
2.1. 燃烧室热-声耦合理论
燃烧室内流体动量守恒方程(斯托克斯方程)如下：
∂ ∂ fi ( ρ vi ) + ( pδ ij − τ ij + ρ v j vi ) = ∂t ∂x j
(1)
式中：t 为时间，ρ 为流体密度，vi 为速度，xj 为坐标系，p 为压力，τij 为粘性应力张量，fi 为流动力，δij 为罗内科函数。 两边对 xi 求导可得
Simulation Analysis of the Thermo-Acoustic-Vibration Coupling of Combustion Chamber Structures
Min Zheng1, Fan Shen2, Yiming Xu1, Tao Liu1
1 2
Department of Civil Aviation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu Institute of Vibration Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu
st th th
Received: Jun. 1 , 2017; accepted: Jun. 16 , 2017; published: Jun. 19 , 2017
Abstract
During the aero-engine operation, the intense combustion happens inside the combustion chamber and the thermo-acoustics-vibration interaction exists unavoidably. The operating environmental under high temperature, high pressure and high acoustical level has a great influence on the fatigue life of the structure and the normal operation of the aero-engine. Simulation analysis of the thermo-acoustics-vibration of combustion chamber was done through one-way coupling by ANSYS-WORKBENCH software. At first the combustion computing was done in FLUENT module in order to obtain the data of temperature and pressure fields. Then the temperature distribution on the structure through steady thermal analysis module was obtained to feed into the pre-stress structure. Modal parameters including eight modal frequencies and eight mode shapes were identified both by one-way thermo-acoustics-vibration coupling and thermo-vibration coupling. The results show that bending and torsional modes appear at lower frequencies earlier, and the cavity modes appear at higher frequencies. In addition, modal frequencies from one-way thermo-acoustics-vibration coupling are lower than those from uncoupling.