發動機燃燒優化
關注創建者：黃立勇 創建時間：2015-10-12
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<p>航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。</p><p><br></p><p><strong>發動機燃燒模擬的難點</strong></p><ul><li><strong>多物理場耦合：</strong>發動機的工作過程中涉及到多個物理場的耦合，如流動、傳熱、燃燒等。這些物理場之間相互影響，需要同時考慮多個因素。</li><li><strong>非線性行為：</strong>發動機內部的流動、燃燒等過程存在非線性行為，如湍流、化學反應等。這些非線性行為使得模型的建立和求解變得更為復雜。</li><li><strong>邊界條件和初始條件：</strong>在仿真模擬中，需要為模型設置合理的邊界條件和初始條件，需要根據實際發動機的工作環境和狀態設定，有時難以準確獲取和模擬。</li><li><strong>模型參數的不確定性：</strong>模型參數的不確定性會對模擬結果產生影響。如何減小這些不確定性對模擬結果的影響，提高模擬的準確性和可靠性是一個挑戰。
展開 航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。積鼎科技CFDPro，可滿足航空、航天、船舶、兵器、能源等領域的流體仿真分析。
發動機燃燒模擬的難點
多物理場耦合：發動機的工作過程中涉及到多個物理場的耦合，如流動、傳熱、燃燒等。這些物理場之間相互影響，需要同時考慮多個因素。非線性行為：發動機內部的流動、燃燒等過程存在非線性行為，如湍流、化學反應等。這些非線性行為使得模型的建立和求解變得更為復雜。邊界條件和初始條件：在仿真模擬中，需要為模型設置合理的邊界條件和初始條件，需要根據實際發動機的工作環境和狀態設定，有時難以準確獲取和模擬。模型參數的不確定性：模型參數的不確定性會對模擬結果產生影響。如何減小這些不確定性對模擬結果的影響，提高模擬的準確性和可靠性是一個挑戰。
國產自主流體仿真軟件CFDPro
CFDPro為基于有限體積法求解單相流/多相流NS方程的計算流體動力學仿真軟件，采用Level Set界面追蹤方法、具備領先的湍流模型、豐富的相變模型，配置燃燒模型和反應機理接口，更加適用于工程計算模擬，滿足航空、航天、船舶、兵器、能源等領域的流體仿真分析。
專業的發動機燃燒模塊
CFDPro涵蓋了9大專業模塊。
展開 發動機燃燒室
隨著大飛機和殲20等國產飛機的試飛，航空發動機也逐漸變得熱門起來。但說起航空發動機的燃燒室，可能大家并不是很熟悉。說到底，飛機發動機和汽車發動機一樣，本質上是熱機，都是燒油的，燃燒室就是負責把化學能轉換為熱能（下圖中標紅的部分）。從熱力循環的角度，燃燒室基本決定了發動機的工作范圍，也就決定了壓氣機和渦輪的性能要求。
（航空發動機熱力循環——布雷頓循環。我保證，只有這一張看不懂的圖）
航空發動機是個大坑，這個大家都知道，但是航空發動機燃燒室就算一個很小眾的領域了。雖然屬于發動機三大核心部件之一，但前有壓氣機一堆復雜的流體力學理論和數值研究，飄逸的風扇造型，后有高大上的單晶/粉末冶金的渦輪，燃燒室夾在中間，顯得很弱小也不那么高調。
（GEnx發動機，燃燒室就像發動機的小蠻腰一樣）
另一方面，航空發動機（或燃氣輪機）燃燒室在國內的研究團隊也不多，除了幾大研究所之外，主要是北航、清華、中科院、西工大、南航等高校，真正有能力開展高溫高壓實驗的團隊屈指可數。當然并不是說燃燒室的研究多么的厲害，我反而覺得燃燒室研究（并非燃燒研究，后者屬于基礎科學）總的來說還處于比較傳統的階段。
這里首先給大家普及一個概念，現代航空發動機的燃燒室基本都采用環形燃燒室結構，就是圍繞發動機主軸一圈，大概由15~30個頭部組成，單個頭部就叫做單頭部燃燒室。所以這樣看起來，全環燃燒室也不算小，但相對于整個發動機的尺寸來說就太小了。一個單頭部的橫截面積不過半張A4紙，絕對算是小蠻腰了。
（全環燃燒室結構示意圖）
燃燒室的研發也是從單頭部燃燒室開始，逐漸過渡到全環乃至整機測試，一共分為9級技術成熟度。一般來說，限于實驗條件和經費，高校主要集中1~3級，研究所大概可以到6級，更高的就需要企業來完成。
展開 研究方向高效低污染發動機燃燒與排放控制技術
1.新概念燃燒的基礎研究2.排氣污染的后處理技術3.生物質含氧燃料4.發動機CFD/CAD5.其它研究
研究成果 1、新概念燃燒的基礎研究①HCCI—均質混合氣壓縮著火燃燒國際前沿課題完全消除排氣黑煙，NOx降低99%，熱效率超過傳統柴油機和汽油機。
②GDI—汽油機缸內直噴燃燒國際研究熱點 可使汽油機的熱效率提高20~30%。
2、排氣污染后處理技術①三效催化劑技術 三效催化劑（TWC）是控制汽油車排氣污染的關鍵技術已被國標和行標采用。
該技術成果已在無錫威孚力達、海南六合、昆貴所等多個汽車催化劑生產單位推廣使用國家環保局認可的汽車催化劑檢測評價單位
②“稀燃汽油機氮氧化物凈化技術”和“柴油機氮氧化物凈化技術”后處理系統設計、集成及優化的兩個子課題。開展了“車用催化轉化器非穩態流場和溫度場的研究”，研究中采用了數值模擬、激光可視化技術和多參數在線測試等多項先進手段，研究成果達到國內領先和國際先進水平。
3.生物質含氧燃料 “代用清潔燃料在內燃機中的燃燒特性與控制問題的研究”項目的支持下，開展了醇類、醚類和脂類等生物質含氧燃料的研究，在國內第一次詳細分析了醇類燃料的常規和非常規排放特性，能使碳煙降低70~80%。并在此基礎上開展了汽車燃料重新設計的研究
4、電噴汽油機進氣歧管CFD/CAD
5、其它研究 燃料成分（油品組分）對發動機動力性、經濟性和排放性的影響 三效催化器與電控汽油機的匹配優化 三效催化器冷起動特性及歐III達標對策 用光纖分光法研究汽油機燃燒。
展開 發動機專用熱流體分析軟件Converge，不僅能模擬發動機缸內流動、燃料噴霧、燃燒，而且通過跟缸內流體部分的熱計算進行耦合，也可以進行固體內部的熱傳導解析。
這是活塞的固體（金屬）部分的熱傳導解析和發動機缸內流動、燃料噴霧、燃燒解析同時耦合計算的案例。以往的活塞熱傳導解析，大部分案例中，缸內側的邊界條件都是一樣的。像本案例這樣，通過同時求解缸內的燃燒狀態，可以適時提供更真實的溫度邊界條件，進而獲得更高精度的熱傳導解析。
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<p><strong>前言</strong></p><p><br></p><p><strong>航空發動機的燃燒室</strong></p><p><br></p><p>燃燒室位于高壓壓氣機下游，高壓渦輪上游。燃燒室的主要作用是把燃料中的化學能經過燃燒釋放出來，轉變為熱能，使進入發動機的空氣總焓增加，變為燃氣。高能的燃氣就具備了在渦輪和尾噴管做功的能力。從工程熱力學的角度，燃燒室屬于能量的注入和轉換的裝置
發動機的研制涉及空氣動力、燃燒傳熱、自動控制等多方面的問題。相比基于物理樣機試驗的傳統涉及方法，數值模擬仿真設計方法大大地節約了研發成本、縮短了研發周期。
對于發動機一維概念設計，CMCL燃燒仿真解決方案可以幫助用戶快速準確實現點火、熄火、失火、火焰傳播以及著火延遲時間和排放等過程的模擬；對于燃油霧化等多相流問題，可通過CFD仿真技術進行精確仿真。全流程的燃燒仿真解決方案能幫助設計人員實現多領域
<p>航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。</p
航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。積鼎科技CFDPro
發動機燃燒網絡組織（Engine Combustion Network，簡稱ECN）是一個以優化發動機燃燒為目標的國際合作組織，聯系和促進測試和仿真研究者之間的合作。在該組織中，AVL FIRE? M（簡稱AVL FIRE M）是唯一可以完整執行噴嘴流動到發動機缸內過程的仿真分析工具。本文中所介紹的內容已經在ECN2022年度會議中進行了展示，并得到了廣泛認可。
摘 要：航空發動機渦輪盤榫槽常用拉削加工研制而成，拉刀作為重要一環，其刃口大小將直接影響拉削加工性能與服役壽命。通過有限元仿真軟件，比較和討論了拉削速度為5m/min時不同拉刀刃口大小對過程溫度、米塞斯應力、軸向力以及工件材料流動的影響，得出了在該工況下具有最優加工性能和服役壽命的刃口大小范圍為10～15μm。
關鍵詞：拉削加工;刃口大小;AdvantEdge仿真;FGH95高溫合金;
本文闡述了模態試驗的理論，通過缸體模態的有限元分析和模態測試，發現了缸體模態頻率較低。通過對缸體局部模態進行優化，提高了模態頻率，降低了缸體產生振動輻射噪聲的風險，最終降低了發動機的噪聲及振動，提升了發動機的聲品質。
缸體是發動機的核心零部件，是發動機結構的基礎。發動機眾多零部件都直接或間接地和缸體連接，發動機工作時缸體和其他零部件將產生復雜的振動或耦合共振，進而產生復雜的噪聲，即缸體強度的高低對發動機
§ 燃燒室設計： RPA用于設計火箭發動機的燃燒室，優化性能參數。
CPU核心： RPA通常在CPU上運行，多核計算可能有助于提高計算效率，特別是在進行復雜的燃燒過程模擬時。
內存容量和帶寬： RPA涉及大量的數據計算和模擬，足夠的內存容量和高內存帶寬對于保持良好的性能至關重要。
內存需求： 內存需求取決于計算的復雜性和數據規模。
來源 |
期刊
《汽車工程學報》
2020年，特斯拉ModelY后地板采用鋁合金一體化壓鑄成形工藝，將下車體總成質量減少30%，已被國內外汽車行業廣泛關注。相比于傳統的汽車制造工藝，熔模鑄造能使所有零件一體成型，大幅提高生產效率，且鑄件的尺寸精度較高，滿足性能要求。目前，國內傳統汽車企業、新勢力造車企業等正在加快熔模鑄造一體化產品的工藝設計與產業化開發
編者按：
高性能的燃氣渦輪發動機及其相關實驗研究可以滿足燃油經濟性和低排放的目標，發動機燃燒室內的燃
燒流場較為復雜，對燃燒流場的診斷測試和規律分析有助于發動機的研制和工程應用。適逢《實驗技術與管理》
創刊60周年，我刊特別邀請特約編委王兵教授的研究團隊就發動機噴霧燃燒流場實驗研究基本方法撰稿
