燃氣輪機燃燒室內(nèi)部燃燒過程包含湍流、燃油霧化蒸發(fā)和混合、化學(xué)反應(yīng)、燃氣的輻射和對流、傳熱傳質(zhì)等多種現(xiàn)象，并且這些現(xiàn)象中，有的是相互耦合、相互作用的。

早期，燃燒室的設(shè)計主要依靠大量的試驗和經(jīng)驗積累，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一維半經(jīng)驗和半分析的燃燒室設(shè)計方法。這種計算方法是適用和可靠的，但是需要較長的研制時間、較多的研制經(jīng)費。

隨著計算機、并行計算、計算流體力學(xué)（CFD）及計算燃燒學(xué)（CCD）等不斷發(fā)展進步，使得模擬燃氣輪機燃燒室內(nèi)部燃燒過程成為可能。即便在現(xiàn)有條件下，通過測量的方法，也難以獲得燃氣輪機燃燒室內(nèi)部的流動、溫度、組分等詳細分布的情況，數(shù)值模擬可以部分彌補上述不足。

雖然燃燒室內(nèi)部流動非常復(fù)雜且伴隨著化學(xué)反應(yīng)、精確模擬非常困難，但仍然希望數(shù)值模擬能夠部分替代試驗，通過燃燒室的數(shù)值模擬，為燃燒室設(shè)計提供參考依據(jù)。

目前國內(nèi)燃燒室設(shè)計已經(jīng)達到經(jīng)驗分析、試驗驗證和計算分析相結(jié)合的程度，并向著計算分析為主，試驗驗證為輔的方向發(fā)展。

現(xiàn)在，計算已成為燃燒室設(shè)計不可缺少的一部分。在整個燃燒室研發(fā)的過程中，通過試驗和CFD模擬相結(jié)合的方式，首先采用數(shù)值模擬對初步設(shè)計方案進行篩選、分析，發(fā)現(xiàn)存在的問題并提出相應(yīng)的改進措施進行優(yōu)化，然后再進行試驗，從而達到節(jié)約研制經(jīng)費、縮短研制周期之目的。

國外多家著名的燃氣輪機公司在研發(fā)過程中非常重視燃燒過程模擬并且發(fā)展了他們自己的模擬工具。近二十年來，用于流動、傳熱、燃燒數(shù)值模擬的商用軟件也有了巨大的發(fā)展，比如PHOENICS，CFX，F(xiàn)LUENT，STAR-CD，F(xiàn)LOW-3D等。這些商用CFD軟件的出現(xiàn)，更加快速、廣泛的推進了燃燒室研發(fā)人員通過商用軟件來進行燃燒室燃燒過程數(shù)值模擬，加速燃燒室的研發(fā)過程和節(jié)約研發(fā)經(jīng)費。

燃燒室燃燒仿真面臨的困難主要在于：1）燃燒反應(yīng)過程中化學(xué)組分多；2）模擬對象燃燒過程中長度尺度和時間尺度跨度范圍大；3）化學(xué)反應(yīng)的高度非線性和溫度、反應(yīng)物濃度的湍流脈動是耦合在一起的。

以碳氫燃料燃燒來說，反應(yīng)中涉及的化學(xué)組分就多達上千種，為了在實際研發(fā)過程中模擬燃燒過程，必須有適當(dāng)?shù)暮喕瘷C理來滿足現(xiàn)有計算條件且盡可能準確的捕捉燃燒過程。一般地，燃燒室的特征長度在幾百毫米左右，但燃燒過程中最小的湍流特征長度只有幾十微米，相差千倍以上，為了精確模擬該過程，即使采用直接數(shù)值模擬（DNS）也是相當(dāng)困難的，因為計算量驚人。

在實際燃燒室研發(fā)過程中，多采用大渦模擬（LES）或雷諾平均（RANS）的方式來解決以減少計算量，采用RANS的方式就不可避免的需要采用湍流模型，大渦模擬中也需采用亞格子模型，上述這些湍流模型對于燃燒過程中流動結(jié)構(gòu)的發(fā)展、演化有重要的影響。

至于化學(xué)反應(yīng)與組分濃度、溫度的湍流擾動的相互作用，需要采用燃燒模型來解決。根據(jù)燃燒過程中燃料和氧化劑的不同進入方式可以分為預(yù)混燃燒、非預(yù)混燃燒、部分預(yù)混燃燒，可以根據(jù)不同的燃燒方式選擇合適的燃燒模型。

也可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度分為快速反應(yīng)的模型和有限反應(yīng)速度的模型，若只考慮流場和溫度場，可以選用快速反應(yīng)的模型，若還需考慮組分濃度分布，則應(yīng)選擇有限反應(yīng)速度的模型。如果燃料形態(tài)是液體，還需考慮液體的噴霧及蒸發(fā)過程。

此外，燃燒室燃燒過程中，產(chǎn)生的熱有一部分通過輻射的方式傳遞給火焰筒壁面，準確預(yù)測壁面溫度選用適當(dāng)?shù)妮椛淠Ｐ秃苤匾?/p>

上述簡要介紹了燃燒室數(shù)值模擬過程中相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)機理、湍流模型、燃燒模型、輻射模型。一般來說，上述模型都是通過計算域內(nèi)的網(wǎng)格為基礎(chǔ)單元進行離散求解獲得相應(yīng)的解，可以說網(wǎng)格是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，對模擬對象進行良好的網(wǎng)格劃分既基礎(chǔ)、又重要。適當(dāng)計算域的選擇和準確邊界條件的給定，也是燃燒過程準確模擬的必要因素。