發動機噴霧燃燒的案例
特約專欄 | 發動機噴霧燃燒流場實驗研究基本方法
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，以期為
噴霧流場的光學實驗測試技術發展，以及新型燃燒流場測量儀器設備的研發提供基礎。
CFDPro發動機燃燒仿真 | 實現航空航天發動機內部燃燒過程仿真
<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 積鼎CFD發動機燃燒仿真，實現航空航天發動機內部燃燒過程的流體仿真
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 湍流-化學作用的噴霧燃燒模擬 | 基于OpenFOAM的FGM模型實現與分析
引言
噴霧燃燒是內燃機研究領域中一個重要且富有挑戰性的課題。本文重點討論柴油噴霧燃燒，其特點是高溫非預混燃燒。為了加深對內燃機的理解以便更好地對其進行設計，必須考慮詳細的化學機理和TCI（turbulence-chemistry interaction）效應。準確地模擬非預混噴霧自點火和氧化過程以及污染物排放，特別是多環芳烴物種的演化過程，詳細的化學計算至關重要。
許多TCI模型已被應用于噴霧火焰的建模。例如，輸運概率密度函數(TPDF)方法、代表性交互火焰面(RIF)、火焰面/進度變量(FPV)模型、火焰面生成流形(FGM) 和建表火焰面模型(TFM)。
在這些湍流燃燒模型中，基于火焰面思想的模型具有計算效率高的特點，因此可以使用詳細的化學反應動力學。火焰面方法的基本思想是，多維湍流火焰可以看作是嵌入在湍流流場中的被拉伸的一維層流火焰(稱為火焰面)的集合。引入混合分數Z以消除非線性化學反應源項求解的困難。由此，化學可以在混合分數坐標下求解，然后映射到流場。基于火焰面的模型與化學建表方法相結合，通過將3D-CFD和層流火焰面計算解耦，降低了計算成本。這使得火焰面模型能夠使用復雜化學反應機理，且計算成本相對較低。此外，基于火焰面的模型能夠通過預設概率密度函數（PDF）有效地解釋TCI現象。只當特征化學時間尺度比混合時間尺度短時，火焰面假設才是有效的，就像在大多數相關條件下類似柴油的燃燒一樣。
本文使用FGM燃燒模型對正十二烷燃料的ECN sprayA進行RANS模擬。此外，由于傳統觀點認為高溫非預混燃燒受限于混合過程，其進度變量的方差很大程度上依賴于混合物的形成速度，因此進度變量的方差經常被忽略。本研究考慮了進度變量的方差，類似于預混系統中進度變量的處理。
展開 
（轉載）發動機燃燒室
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 汽車發動機燃燒與排放控制技術研究
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 發動機缸內燃燒解析（活塞固熱耦合）
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。
直噴天然氣發動機非預混燃燒模擬
本教程介紹了四沖程發動機非預混燃燒模擬。由于在整個燃燒過程中，兩個氣門都保持關閉，因此建立了沒有氣門的發動機的簡化模型。
1 啟動FLUENT并導入網格
（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 19.2→Fluid Dynamics→FLUENT 19.2命令，啟動FLUENT 19.2。
（2）在FLUENT Launcher界面中的Dimension中選擇3D，在Option中選擇Double Precision，在Display Options中勾選Display Mesh After Reading，Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme，單擊OK按鈕進入FLUENT主界面。
（3）在FLUENT主界面中，單擊主菜單中File→Read→Mesh按鈕，彈出Select File（導入網格）對話框，選擇文件名為natural_gas-comb-CA0360.msh.gz的網格文件，單擊OK按鈕便可導入網格。
（4）導入網格后，在圖形顯示區將顯示幾何模型。
（5）單擊主菜單中Mesh→Check按鈕，檢查網格質量，確保不存在負體積。
（6）單擊主菜單中Mesh→Transform→Scale按鈕，彈出Scale Mesh對話框，在View Length Unit In選擇mm，保持默認值并關閉窗口。
2 設置周期性邊界
（1）在命令欄輸入以下命令/grid/mz/make-periodic，創建周期性區域。
（2）同步驟（1），建立period_outer1和period_outer2的周期性區域。
展開 Fluent Meshing實戰發動機燃燒室網格 Part 1-幾何修復
挑選一個燃燒室的案例（ANSYS官網稱為Can Combustor模型），結構比較復雜，適合初學者直接撲向疑難問題。
《Fluent Meshing實戰發動機燃燒室網格》系列，包括四部分：
① 幾何修復
② 表面網格
③ 蜂巢網格
④ 燃燒模擬
今天介紹Fluent Meshing在復雜幾何體修復和幾何前處理準備方面的工作。概括起來，Fluent Meshing的主要特點包括：
① 完全嵌入在Fluent界面中
② 能夠讀入CAD以及復雜的多區域組合網格模型
③ 為使用者提供更多的網格控制方式
④ 能夠處理超過十億的網格
⑤ 包含節點級網格控制
⑥ 能夠利用腳本實現批處理
我們測試的軟件平臺是ANSYS Fluent V18.2，輸入文件為
FM_Generic_Combustor.msh.gz
下載鏈接：http://pan.baidu.com/s/1dEHtZgt 密碼：phay
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導入幾何
打開Fluent 18.2，注意選擇Meshing Mode。
圖1. Fluent Meshing的啟動
讀入網格文件（幾何文件）FM_Generic_Combustor.msh.gz，如圖選擇所有的幾何部件，點擊“Draw”后顯示燃燒室的部分結構（20°的扇形分區，周期性結構）
圖2. 燃燒室幾何特性一覽
2
幾何檢測
在修復幾何之前，需要先檢測縫隙，尖角等結構。為避免誤傷物理特征，需要先對燃燒室的噴孔直徑進行測量。如圖測得噴孔直徑大于2mm，這樣下一步檢測縫隙的時候，可以把上限設為2mm，這樣就把噴孔排除在外了。
圖3.
展開 Fluent Meshing實戰發動機燃燒室網格 Part 2-表面網格
挑選一個燃燒室的案例（ANSYS官網稱為Can Combustor模型），結構足夠復雜，適合初學者直接撲向疑難問題。
《Fluent Meshing實戰發動機燃燒室網格》系列，包括四部分：
① 幾何修復
② 表面網格
③ 蜂巢網格
④ 燃燒模擬
今天介紹Fluent Meshing如何通過wrap功能，對復雜幾何進行簡化，并生成高質量的表面網格：
我們測試的軟件平臺是ANSYS Fluent V18.2，輸入文件為（做完上一個練習的朋友可以用自己存盤的文件繼續本教程）：
FM_Generic_Combustor_part1.msh.gz
下載鏈接：http://pan.baidu.com/s/1eRA6zIi
密碼：vayi
1
導入幾何
打開Fluent 18.2，注意選擇Meshing Mode。讀入FM_Generic_Combustor_part1.msh.gz文件。如圖1，通過wrap操作，建立幾何結構的loop。
圖1. 建立幾何細節的loop
2
查找幾何孔洞
在燃燒室上部有一個燃油入口，尚未閉合。用戶既可以手動建立面去閉合該入口，也可以通過wrap操作的尋洞功能來閉合孔洞的入口位置。如圖2，打開Wrap>Fix
Holes功能，選擇fluid材料點，點擊“Find
Holes”，過一會后Fluent提示，流體計算域確實存在一個以上開孔，提示用戶通過“Trace
Path”功能來找到這個孔的位置。于是，如圖3，點擊Trace，找到了開孔的位置。繼續通過Patch操作，為這個開孔修補個蓋子，取名為“fuel-inlet”，表示為然后入口邊界，如圖4和圖5所示。
圖2. Wrap的尋洞功能
圖3.
展開 CFD專欄丨Flow Simulator案例：航空發動機燃燒室一維仿真
<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。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6wQtXyAnpibxiahtIVvyfWhgG1ZicevXmdkwD11mFXLzI2x3St2Avkib2ZAvXV5B6yap3V7IJnT98MnMw/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><strong>航空發動機中的燃燒室</strong></p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6wQtXyAnpibxiahtIVvyfWhgGzPS5esG705ibqprmbzLbgiau6a2AX9u6xM6sW56ElxHz6xiavJUBFVFdA/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><strong>燃燒室的結構</strong></p><p><br></p><p><strong>一維燃燒模型</strong></p><p><br></p><p>Altair? Flow Simulator?的一維燃燒模型旨在使用反應物的化學性質來模擬燃燒現象。燃燒元件集成了 NASA CEA代碼進行化學反應計算。CEA代碼解釋了燃燒引起的焓變和隨后的熱量上升。
展開 
發動機燃燒仿真｜CMCL填補CFD與0維/1維均質反應模型方法間的空白
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、多維度的燃燒仿真計算。
CMCL軟件起源于劍橋，可提供領先的燃料、燃燒及排放仿真解決方案。其軟件包括:kinetics?（燃料，排放和后處理的化學反應模型）、SRM EngineSuite?（內燃機物理化學模型）、MoDS?（模擬功能的自主機器學習和高級統計）以及Explorer?（可視化的后處理工具），彌補了計算流體力學（CFD）與零維/一維均質反應模型方法之間的空白，可為用戶提供高效的燃料、燃燒以及排放解決方案。
展開 快速提取內流場的兩種方法分享
背 景
本案例為發動機缸頭的內流場抽取。使用SpaceClaim可以較快的準備好燃燒分析用的幾何模型并處理好發電機熱管理分析用的流體域，比使用UG等軟件省時不少。
在SpaceClaim中，可以使用體積提取和分離面的兩種方法來提取CFD分析所需要的流域。
第一種方法：體積工具
具體步驟：
在體積提取工具中，分別選擇邊界面和矢量面后點擊“完成”即可成功得到內流域。
第二種方法：分離面+拼接
具體步驟：
1.選中主要邊界面，鼠標右鍵單擊后選擇“分離”選項。實體即被分成多個面體；
2.僅顯示內流暢內表面；
3.使用“修復”菜單下的“缺失的面”操作將其自動縫合成實體。
優劣比較
第一種體積抽取工具的方法能直接得到封閉好的流域，且能對裝配體進行操作來得到想要的流體域；第二種分離+拼接面的方法需要縫合后才能得到封閉的流域，對裝配體需要先進行布爾運算后再進行操作或者先對每個零件進行分離面操作后使用“拼接”功能將想要的面連接起來，所以第二種方法可能相對比較費時一些。
但第二種方法在某些應用場合會更方便，如準備發動機三維燃燒模擬分析所需要的幾何模型時非常快捷，應用分離面的方法可快速的得到進排氣道、燃燒室和進排氣門等流體接觸到的表面。
作者簡介
何炫 熱力學研究工程師
從事發動機相關的CAE工作，四沖程發動機的噴霧燃燒模擬、二沖程發動機掃氣分析、水泵等旋轉機械的仿真與優化、缸體缸頭的熱固耦合分析等分析工作。
來源：SpaceClaim
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