（人机与环境工程专业论文）环型回流燃烧室壁温计算研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c a b s t r a c t t 1 1 i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ep r e d i c t i o n p r o b l e mo fc i r c u m f l u e n c ec o m b u s t o r c h a m b e rw a l l st e m p r a t u r eo fa e r o e n g i n e t os o l v et h ep r o b l e m ，o n es o f t w a r eh a s b e e ne s t a b l i s h e da n dt e s te x a m p l e sa n dc o m b u s t o rc h a m b e rh a v eb e e nc o m p u t e db y t h i ss o f t w a r e t h es o f t w a r ei so b t a i n e db yt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to na n s y ss o f t w a r e t h r o u 曲t h ea n s y ss e c o n d a r ye x p l o i t a t i o nl a n g u a _ g ca p d l 、u i d lo nt h ed e l f h i f l a f f o r m t h et e s t e x a m p l eh a sb e e nd o n eu s i n gt h es o f f w a r e ，t h ep r e d i c t i o na g r e e d e x p e r i m e n td a t aw e l l o n ek i n do fa n n u a lc i r c u m f l u e n c ec o m b u s t o rc h a m b e rm o d e lh a sb e e n e s t a b l i s h e da n d 鲥d so ft h ec o m p l e xc o m b u s t o rs t r u c t u r eh a v eb e e ns t u d i e da n d b u i l t 1 1 l et e m p r a t u r ea n df l o wf i e l d so ft h ec i r c u m f l u e n c ec o m b u s t o rc h a m b e rh a v e b e e ng a i n e da n d a n a l y s e d t h es t u d yw o r ka n dt h es o , w a r ed e v e l o p e di nt h ep a p e rh a v ev a l u a b l ee n g i n e e r m e a n i n g k e y w o r d s ：a n n u a lc i r c u r a f l u e n c ec o m b u s t o r s e c o n d a r ye x p l o i t a t i o ng r i d s w a l lt e m p e r a t u r eo f c h a m b e r i l 西北工业大学硕士学位论文 始l 帮绪诊 皇_ 蔫_ 啊_ _ _ - 一i i i ， - 一 群 第一章绪论 1 1 燃烧室及其冷却技术简介 随着社会的飞速发展和科学的日新月异，飞机作为一种重要的交通和作战 手段，在人们的1 日常生活秘国防事业中起着越来越重要的作用。因丽人们对”e 机的性能也提出来了越来越多钧要求。作为飞机心脏的发动机，其性能直接关 系到飞机的总傣槛栽。航空发动机在向着高域愿比( 3 0 以上) ，高涡轮进i - q 温 度( 1 9 7 7 k 以上) 和离推熏比( 1 0 以上) 发展，从第二代至第四代发动机燃 烧室温度以每代3 0 0 k 递增，这一温度的增加，对燃烧童的设计，工作可靠性和 安全性提出了更高的要求。 1 1 1 燃烧窒帕工作特点及环境 燃烧塞位于压气枫和涡轮之间，是航空燃气涡糟发动机的主要部件之一， 也是燃气轮机工作温度最离韵部件之一。它是将燃料韵化学能转变为燃气热能 的一种装置。它的主要任务是将燃漓喷醺喷出的大量燃油相来自透气机的大最 空气混合并进行燃烧，产生离温高压燃气，高温高压的燃气流过涡轮和喷管时， 对涡轮作功，并使燃气搬速，从而使涡轮带动压撬棍高速转动，并使发动税产 生推力。它和压气机、涡轮一起构成航空发动机的三大核心部件。 图1 某型短环燃烧室结构筒图 火焰筒是燃烧室主要组成部件，也是发动机最重要的受热部件之一，它由 西北工业大学硕士学位论文第1 章缔论 旋流器和火焰筒简体等部分组成，旋流器的功用是形成火焰筒头部的回流区， 以保证火焰筒前端燃烧区内混合气稳定和完全燃烧。火焰筒简体的结构应保证 合理的进气，在前部使进入火焰简的空气和与喷嘴喷出豹燃油混合并形成回流 区，及点燃混合气，使混合气稳定和完全燃烧，在后部有掺混孔，流入二股气 流，使燃气温度降低，由于筒体既要受由于混食气燃烧产生舱离湓，又瑟接受 掺混孔进入的冷却空气，因此受热很不均匀，容易出现裂缝、掉块等故障。 多年来的研制和使用，总结出对燃烧室的要求：l ，燃烧效率离；2 ，点火 可靠；3 ，流阻小；4 ，工作稳定：5 ，寿命长；6 ，质量轻；7 ，出臼气流温度符 合要求。然而作为衡量航空发动枫水平的重要指标一维重比的提高所采取的系 列措施，如提高压气机的增压比，掩高涡轮前的温度，减轻结构霎攮等，无一 不恶化发动机的工作条件。 1 1 2 火焰筒冷却技术简介 由于燃油在火焰筒内燃烧，致使火焰筒篱鐾滠度过离，为了保诞火焰筒具 有较长的寿命，必须使火焰简壁温和壁温梯度降至某个允许值。因此新型发动 机燃烧室都采用了各种复杂的冷却结构，如气膜式、逆顺式、浮壁式和多孔发 散式等，综观国内酆火焰篱的冷却方法，主要有以下凡个方面： 纯气膜冷却：纯气膜冷却是应用较早的一种火焰筒冷却技术，直到现 在也在广泛地使用。 气膜对流冷却：1 9 7 2 年，c o l l 8 d a y 幽】提出了气膜璜 流冷却，即在未来 的燃气轮机的高温、高压环境下，离滠部件为了有效地利甩冷却空气， 一定要加强对流换热。 发汗冷却：当知道火焰筒材料的高温性能及火焰简所承受静机械、热 负荷后，就可以位算火焰筒壁温的j = 限。一个理想的冷却方式是整个 火焰筒壁温都僚挣在遮一上限的紧下端。从这一点出发，人们发展了 发汗冷却。 多层全气膜冷却：为了既增强火焰筒壁穗的换热性能，又解决材料问 题，后来产生了多层全气膜冷却。 多孔气膜冷却：这种冷却方式又称全覆盏气膜冷却。其特点是在壁面 上打出大量小孔，理想孔径的大小是不易被外来物堵塞而又有适当的 流量系数。 分块式火焰筒壁冷却：由于燃烧室的离温高压工作环境，在每次起落 之间，火焰筒的低循环疲劳应力极大，于是采取了把火焰筒分块的方 2 西北， 业大学碗士掌位论文 第1 章绪论 法来降低热应力，由此产生了分块式火焰简壁冷却。 柔性金属，陶瓷壁结构冷却：考虑到火焰筒高温和热应力特性，逐渐产 生了柔性金属，陶瓷壁结构作为火焰筒簿壁这种新型的冷却方式。 燃烧室火焰麓筒壁耐热研究的发展趋势表明，一种方法是采用常规高温合 金材料，发展先进冷却方式；令一种是采用更加耐热的非金属材料，如陶瓷。 采用空气冷却方式已由纯气膜冷却方式发展为更为商效的主动冷却方案。换言 之，使冷却空气成为气膜之前先充分地利用奠冷却能力使之对火焰筒冷却一次， 成为多次冷却或组合冷却，从箍大大提商冷_ 勰效率1 1 。 1 1 3 燃烧室设计计算发展概况 燃烧室最初的设计是以经验、半经验设计方法以及大量韵研究实验为基础 的。随着人们对发动枫性能不断要求，这些方法己不能满足先进燃烧室的设计 要求。燃烧室的改进周期长、实验费用十分高，制约了燃烧室的研制和发展， 因此追切需要改进方法。几十年来，燃气涡轮发动机和燃烧室在气动热力、结 构、强度和寿命等各个领域都发展很快。燃烧室中的燃烧过程十分复杂，包括 气体流动和掺混、燃油雾化蒸发和混合、化学反应、燃气的辐射和对流、传热 传质等各种现象。完全掌握各种过程的机理是很困难的。因此在过去的燃烧室 设计中，主要依靠大量的实验和经验积累，并在此基础上，发展了一维半经验 和分柝的燃烧室设计方法。这种计算方法是实用和可靠的，但是需要较长的研 制时间、较多的科研经费。随着在传热领域中的纂础研究和应用研究的琢断完 善和发展，对传热现象的理解深入，计算手段、工艺、材料的提高以及计算传 热学的发展，可以说，弱前燃烧室设计已经达到经验分析、实验研究和计算分 析相结合的程度，并向着计算分析为主，实验验证为辅的方向发展。 随着燃气发动机技术韵不断发展，发动机高温部件钓传热问题变得越来越 重要。在计算技术和筝段有了很大发展的今天，采用数值计算方法研究和分析 燃气发动机的传热阀题，可以为发动规人员提供爽叠肖用韵参考，其中霪要的 数值分析方法就是有限元法、有限体移 法等。 1 2 本文的研究背景和意义 由于壁温对发动机燃烧室工作的安全性和可靠性的重要作用，国内外很早 就开展了对它的研究。归纳起来，研究的内容大致可分为两类： 实验法：即进行火烙筒壁温实验。掖据模化原理，可在实验的基础上， 西北工迎犬掌碗上学位论文 第l 章绪论 建立起壁温与其相关参数群的半理论拳经验关系。这种半理论半经验 关系，对燃烧室的实验、设计都有重要韵指导意义。实验的目的在于 测量火焰简壁温，并确定其分布，以考察火焰筒冷却是否存在问题， 并为火焰筒强度计算和寿命估算提供依据或参考。此外，还可以帮助 发动机试车时确定火焰筒壁温测量位置等。这种方法需要大量的人力、 物力和时间。早期壁濑预测帮采用这种方法，实验总结改进。再实验 的循环前进，对燃烧室懿设计起到过重要作用。 数值模拟法：近年来，由于航空发动机性能不断提商，对予燃烧室的 要求也日益苛刻，现有韵经验半经验设计方法已不能竞全满足现代先 进燃烧室的设计要求，加上现代燃烧室的加工和实验费用非常昂爨， 迫切需要发展一种新的设计计算方法。这种新型的设计计算方法是以 计算流体力学( c f d ) ，数值传热学( n t ) ，计算燃烧学( c c d ) 为 核心，结合经验半经验关系式进行数值模拟计算，而盾计算结果经过 实验验证，证明方法的可行性和精度，褥将改遴的数值模拟结果用予 指导设计和实验。 1 2 1 国内研究背景。 国内对于燃烧室壁滠预测工作研究工作是在2 0 世纪嚣o 年代初开始的，目 前在这一领域已经取得了一系列成果，一、二维数值分桥已越于成熟，而三维 数值分柝艰在不断发展与完善。圜内多家院校和发动机研究所，虽然对燃烧室 火焰筒壁温的计算进行了长期的研究，但目前在型号设计中仍然聚用较原始的 计算方法：即根据冷态测试结果绘出气膜孔的流量分配系数，分别计算火焰筒 内外流场，根据前面两个条件，选定壁瓣与流体的对淡羧热豹经验公式，计算 出火焰筒的温度。传统的一维璧瀑计算通常把燃烧室沿流动方向分成多个参数 相同区域，用有限元程序求解壁面湿度方程，9 0 年代初，蘩志锐，朱长清等 采用一维方法，采用对流导热辐射耦会迭代计算方法计算壁温。由于实际发 动机燃烧室结构复杂，其流场更为复杂，臣此建立二维模型进行数值计算分析 也是很有必要的。南京航空航天大学的王宝官，6 2 4 所韵李表康，胡正义 2 1 通过 数值方法，采用数值计算方法结合经验半经验关系筑对燃烧室壁湿进行了数值 模拟，研究了二维气膜冷却燃烧室火焰筒龅壁滠分布。尽管国内对燃烧室壁温 的三维模拟已做了一些工作，僭三维壁猫计冀仍处于裙缀阶段，1 9 9 1 年，刘军 谭等【 1 提出用三维计算流体力学，计算传热学计冀燃烧室金属固体壁温的方法。 霞内在火焰筒壁温的计算所采用的方法虽然饔箕一定的缀据，但多半是受到过 西北工业大学碗士学位论文 第l 章绪险 曩墨啊鞠蕾囊_ - _ - _ 燃啊南囊_ _ _ 皇啦蕾卑卑_ 雹豳尝岩# 瓣 去历史条件的限制，如无法进行燃烧室火焰筒内外环全三维流场计算，无法进 行流场与火焰简固体结构的耦合计算等，因此所确定的火焰筒各种孔的流量分 配实际上是不真实的，另外，采用一维豹经验公式计算火焰筒壁温无论从理论 上还是实际上都不是十分合理的。 1 2 2 国外研究背景 国外早在7 0 年代就对耀计算流体动力学( c f d ) 对燃烧室进行了研究。1 9 7 5 美国陆军实验研究室率先用此方法对燃烧室进行了研究。1 9 7 7 年，美国空军实 施的燃烧室模型评估( c 耀卜计划发展了先进盼渗新技术，奠定了燃烧窒模型 评估的技术萋础。荚国予1 9 8 7 年燃烧室设诗模拟弹估( c 嬲m 1 ) 计划对结构复 杂的燃烧室的稳定性进行了模拟评创娜】。从日前酶犀熊的文献来看，对燃烧室 火焰筒壁温预测已经教成熟，已经基本实现了c f d ，n h t ，c c d 于经验半经验 关系式的结合，并编制了大型通用计算机程序，用来模拟传热传质。在燃烧室 设计技术中普遍采用先进的设计软件和设计技术，在火焰簿壁温讨算中，将火 焰筒周围的流体与火焰篱本身圃体结梅作为一个统一的耦含场迸彳亍计算，即计 算出流体的流场同时又计算出火焰筒固体结掏的温度场。广泛采用数据库技术， 根据大量实验结果建立可靠的工程数据库，对计募结果进行检验并据此对计算 模型进行修正，得到了更加准确的壁温分布结果。这些在燃烧塞数值模拟方面 已经取得了一定的成果，如对扩压嚣，主燃区内的流场计算，对雾化特性的研 究，对燃烧室不稳定特性的研究等。这些大大有助于燃烧奎的结构设计，减少 实验量，从而大大减少研制费用。 1 2 3 总结 纵观国内外对燃烧室的研究情况，在火焰筒壁温计算上采用热流固耦合计 算方法，建立较为完整的火焰筒数值仿真敬件，遴过与根据实验建立起柬的数 据库的结合，搞清楚不同冷却方式下气动及结构参数对火焰筒壁滠及冷却效率 的影响，达到对火焰筒维构及冷却方案的优化设计，这对来来我国发展自己的 火焰筒及燃烧塞设计技术至关熏要。 l 。3 本文的主要工作 本文采用流固耦合数值计算方法，根据x 研究所提出的软件设计要求、验 登鎏耋态耋鍪毒耄鏊i 盗l 。_ 崎嘲国黼。，。鬟i 。羹薹鎏： 证算恻、环鹫回流燃烧室火潞褥摸罄结构布羼及边界条件，本文主要工俸内容 有： l 以商业软件a n s y s 9 0 为基础，采用d e l p h i ，a n s y s 二次开发浯 蠢a p 跣，u i 隗，瑟发以a t s y s 求瓣器为核心的失戆瓣壁温计簿软伟。 2 在辕俘上迸孪亍了骏诞簿铡进萼亍了建模，阚褥鲻分，求解，同时，对 计算结聚迸李亍分析弗与实验僮进行比较。 3 建立了火焰简壁滴计算域三维模型，包括内外机厦，头部机瞬，大 小弯管，火焰筒内外环形通道内气体及火焰筒圆体壁面结构等，势 划分整个计算域的阿格划分。 4 。对火焰蓠壁湛诗舞嚣壤进行逮雾条转擞裁、计算，并砖诗髯绻莱送 行分辑。分橱海容铤籍火焰篱整体温度分霖，灾焙篱篱蘩气麟乳震 围纵向和环向温度分布，冷龆效聚以及整个篱鐾的滠度分布情况 等。 箍 登i j 王些查兰鎏老耋堡兰耋彗：耋墼些璧耋兰蓄茎 第二章软件设计与开发 本次软件开发以d e l f h l 7 0 为平台，利用a n s y s 二次开发语言a p d l 、l i i d l 对a n s y s 有限元进行二次开发，提出了以模块化分析过程、数据库管理系统的 方式对火焰筒壁面瀑度分析的实现方法。软件主要包含以下几个模块：几何模 型模块、物性参数模块、计算准备模块、计算绪聚模块、a n s y s 二次开发模块。 2 1 软件介绍 2 1 1 设计目的 本软件主要用于小型燃烧室火焰筒三维壁温换热计算，为小型回流燃烧室 的研制和改型提供技术储备，为穗立涡黼发动机小型燃烧室设计体系提供支持， 同时本软件还可用于其饱流固换热方面的计算。 2 1 2 软件的设计感想 基于a n s y s 二次珂- 发技术，软件采用模块化的设计思想，使得从模型的 建立、相关数据文件的建立、计冀的建立郝相对独立起来，可以分块完成。 根据软件开发的要求，软件在设计上提出了以下设计思想： 面向对象豹系统设计方法 其主要思想是以耪理对象，处理过程先独立豹模块，建立其面向对象模型， 其它一切活动都围绕该模块进行。既模块的设计方法可以提离软件的可靠性， 可扩展性，可修改性和通用性。褥时由予模块和元件一对应，可以方便曲勺对 单个元件进行初始化，从而避免了一次对所有元髀整体输入初始化条件的弊端。 也提高了软件的可靠性； 模块化设计 其主要思想是整个计算过程的输入量都可以认为是独立豹模块，这样可以 将模型、参数、算例创建独立的数据库方便管理雨鼠不会受到计算结果的影 响。 软件间的交互设计 火焰簿多维壁温计算软件与a n s y s 有限元分析软件通过a r m y s 二次开发模 7 翌彗，j ：兰吝兰鎏主兰堡鎏三。，。 篓：耋璧墼墼茎皇垂苎 块作为媒介交互操作，火焰筒壁温计算软件提供了一个前、后处理的平台，存 储计算过程的输入曩和输出璧，a n s y s 有限元软件作为其中的计算模块为其提 供求解支持，利用a n s y s 提供的二次开发语言a p d l 将两个软件融为一体，交 互操作，既能提供友好的操作界隧又能满足用户不用对a n s y s 特别精通，就能 够利用其强大的计算模块求解。 可视化界面加数据库。 界丽编制上采用可视化语言以提高软传界面的友好性，并开发出适合火焰 筒壁温计算分析软件的相关配套数据库。 2 1 3 软件功能 根据要求，本软件功能如下： 1 ) 可以新建回流燃烧壹火焰筒壁温计算的a n s y s 几何模型。 2 ) 能够导入多种先进的c a d 软馋( 如：c a _ t i a 、c a t i a v 5 、p a r a s o l i d 和s a t 等) 生成的模型，并可以准褥地在该模型上划分嘲格和求 解。 3 ) 针对不同的模型类型建立了其相应的模型数据库，使用户更加方便 的管理其模型库；同时还可以将模型导入a n s y s 中避行编辑和修 改。 4 ) 用户可以自行定义流固物性参数特性和单元类型，并建立相应的参 数特性数据库，以便用户更加方便蝇管理其数据文件。 5 ) 可以对回流燃烧室火焰筒壁温送行瞬态襁稳恣计算，并能够设镶汁 算的迭代时间和迭代步数。 6 ) 用户能够方便地查看计算结果，模型整体区域钧握度等傻线圈、速 度等傀线图、速度矢璧露和压力等值线图。 7 ) 建立了算僦数据库并对各个算倒的详细内窖作了记录，方便用户管 理翔查看结果。 8 ) 在现有的回漉燃烧室火焰筒结构上进行瞬态数馕模拟的验证计冀， 并与目前试验所得的实溅数据进行了比较，姆模型方案进行了准确 性确认。 9 ) 能够捕捉几何模型、网格模型、计算结果筋等德线图、等高线、矢 量图、云图的图像，并可以对其保存和打印。 t o ) 完成了计算软件的工程化要求。 8 雪苎三些奎兰篓老耋璺黧銮。 。 垂。：耋鹜丝兰鎏耋瑟堡 2 1 4 软件的特点 软件采用模块化的设计思想，使爆从模型的建立和导入、相关数据文件 的建立、计算算例的建立舔相对独立起来，可以分块完成，然后根据实际的工 作要求灵活建立对应的计算实例。 在本软件中能够努便的调用a n s y s 建立新模型，丽晨能够将其他先进 的c a d 几何模型( c a t i a 、c g t i a v 5 、p a r a s o l i d 、s a t ) 导入a n s y s 中，这为用 户提供了很大的便利。 界面友好，操佟方便。a n s y s 在计算辩所需要的物性参数和计算设鬻等 计算条件，以对话框的形式出现，甩户只簧在对话辛匡中添擞炎舔需要的各种计 算参数条件，软件就可蛆舞动奎成a n s y s 计黧慰所器蛉糖译程摩按f _ i 文件，赢 接调入进行计算。所以用户不器要对a n s y s 有根深的认识，就可以馒用a n s y s 强大的流体计冀功能。 通过对a n s 粥的：次开发，专门在a n s y s 中为本软件制作了网格划分模 块和加载边界条棒模块，溺户髭够狠据蠡鸯甓癸划分聪格嗣灏载边界条件，这 也使本软件具脊夏犬翡遵用性藏灵活性。 ，软传采瓣瓤编辑的玺注谎甓瓣话抠，用户可以巯对舔力霄甩信息。 添加规劐简攀化隽便数橱更新。 采用多窗口方式，可以f 翮聍进褥多项作业。 软件还可用来管理模型( a n s y s 横型、c a t i a 模型、c t i a v 5 模型、 p a r a s o l i d 模型和s a t 模型) ，a n s y s 葬铡等。所膏鹃横黧黪添加，算铡的添 加不需要对程序傲另外髓修设，只要按照零辕橼的添潮灏嫩添耱在工作目录下 即可，使得模罄，a n s y s 簿铸鹤使鼹翻镖理变褥十分容荔。 可以交互地使熙a 哟y s 二次开发横块和炎焰篱多缝壁潺计冀分析软件， 将一些固定的数据存放在零软件提供虢数据库中，这样可以省去很多| 日寸问在 a n s y s 中重新设置，每次用时只需选择需要鼬数掇荐进行求解。 2 2 软件界面介绍 2 2 1 软件攘体结梅流程 基于模块化的思想，软件包含几何模型模块、物性参数模块、计算准备模 块、计算结果模块、a n s y s 二次开发模块。这五部分保持相对独立，又通过一 定的方式相互联系起来。其相互关系及软件的整体流程下图2 - 1 所示： 9 雪i i 王訾銮耋鎏毒兰鳘鎏苫， 。塞：耋鳘童塞鎏皇耋釜 火焰简多缎照温计算分柝软件藏稷匿 2 。2 2 主界面 圈2 - i 软件流程圈 软件的主界面如下图所示，由菜单、工具栏和状态栏组成。如下圈2 - 2 。 2 2 3 菜单 1 文件菜单如下图2 3 ： 塑苎玉兰盔兰翟圭耋g 鎏銮。 嚣，：耋鳖丝篓生i 茎鎏 图2 - 2 软件主界面示意豳 鼹2 3 几何建楱蒸攀示意圈 文件菜单及其詈菜单的意义： 几何建模：冀苍脊簋令予蔡黪，分剽罔来扦嚣糖墩的几簿建横篷伴。其作 用是导入已有几何模型或新建几何模型。对于a n s y s 几何建模窗体可以新建模 型和导入模型，但对于c a r l a 、c a t i a v 5 、p a r a s 0 1 i d 、s a t 几 可建模窗体只能导 入已有的几何模型，不熊新建模型。 鹜；堡三些盔慧黧毒兰篓鎏吝i 。耋：薹筌竺誊鎏i 蚕耋 新建数据文件： 用予打开数摆文件窗体以输入算僦鹪髑性参数和单元类 型。 图2 - 4 赫建羧麟鬻张横绫零纛德 模型准备：用予打开计算准罄灏律戳选择谤冀楱燮类型，计算模型名称， 计算数据文件，填写计算设置并生成新算劂。或者妻接调用已有的算例来进行 计算。 图2 - 5 模型计算模块示意图 计算结果：用于打开计算结果窗体以查看箨例结果镣值线圈或云图。 i 2 翌i ! 三鎏查兰堡老兰塞鎏耋耋：蒌鳖竺塞耋兰茎茎 圈2 - 6 计算结果模块示意圈 历史算例：用于打开历史算例窗体以查看历史算例结果和演示算例。 2 窗口菜单如下： 图2 7 窗臼菜单示意圄 菜单子项目的意义： i ) 层叠：主窗体中所有子窗体按次序依次层叠排列。 2 ) 标题水平：主窗体中所有予窗体按次序依次按照标题水平排列。 3 ) 标题竖排：主窗体中所有孑密体按次序依次按照标题竖直摊列。， 4 ) 全部最小化：主窗体中所有予窗体全部最小化。 3 帮助菜单 1 1 塑蝥三兰銮兰翟圭兰堡鎏兰。 。芝：耋篓丝璧翌：耋蚕：璧 如下图2 - 8 所示： 冒2 罐密勰繁攀黍蠹鳝 帮助文档： 用于打开帮助文。2 番模块撩作流程 2 3 操作环境及操佟蓼麓狂 2 3 1 操作环境介绍 圈2 0 操作环境示意图 璺：未：些盔耋墨土兰譬黧吝。 。墓：塞鍪竺塞生耋鎏篓 2 3 2 软件系统操作流程 在进行数傻分析计算肘，需要一个强大的数摄库去存放计算时的数据，火 焰筒壁温计算模块主要为系统提供一个前台和后台，用来存放模型、物性参数 阱及算例结果。此夕 ，为方便用户导入已有的模型，此模块还提供了多种e a d c e 绘图软件的接口，对于已导入的模型能够生成a n s y s 能够识别的接口文件。多 文档窗口的设计可以方便用户随时调用数据库的内容，又能傈持各自的独立性。 当用a n s y s 求解时，可以直接调用可计算文件，方便求解，如下圈2 1 0 所示。 2 3 3 数据瘁设计方案 数据库存储模型和物性参数、计黧设置以及计算结果等，同时还要保存着 一些公用的接口文件等，如导入模型和物性参数翰接口文件。其设计方案和流 程如下图2 - 1i 所示，数据库说明如下袭所示： 数据库名称 功能 几何模型库存储菸索引所育存在的几何模型 数据文件库存储数据文髀，可直接调入计算 存储模型文件，数据文件，计算设置文件及相应的接口 计算准备文件库 文件，用于求解时调入 存储燕个算例( 模型，数据文件，计算设置丰| i 计算结果j 计算结果库以及算锕结果的速度场，温度场， 压力场分布等值线圈 2 3 。4t i n s y s 计算模块流程 a n s y s 二次开发模块是整个软件的核心，它有建模模块，网格划分横块、 边界条件加载模块、求躲设鐾模块( 设置求解瘸性、迭代步长、调节收敛因子 等) 并融合了火焰筒壁温计算提供的接翻模块。其设计方案和流程如图2 一1 2 ： 耄；l 苫鏊鑫鎏錾誊i 兰鎏鎏兰。ll 。釜i 薹，羹耋鍪辇! ：耋耋 翻2 一l o 赣搏象鲢擞捧流程 圈2 - ii 数撼痒模块设计方糍 黼2 - 1 2a n s y s 计冀模块流耪 2 4 软件设计小结 零软传利用a n s y s = 凌拜发鼓朱，浚诗了必焰蓠三缝整滋努矫系绕。酉实 甄几何建模、参数魏裁、藩解计算，察番结粜豹功能，娆够党成一个环型卿流 燃烧窝火焰筒三维壁潺计算及其他流阐换热计冀的礴格划分、加载边界条件、 商糟计髀结果的全部过程。操作简单界硼发好，给火焰筒壁瀣分析带来了方 蠖，提高了王俸效率。 ，璺鎏耋銮鎏老鍪鳖。 。塑薹鍪蚕基泌继薹耋塑塑 第三章有限元算法及m s y s 软件介绍 在第二章提如以腿l e h i 为罩台开发的火焰筒壁温计算软件是以删s y s 苏基 础的，而a n s y s 是有限元算法，因此，本章对有限元算法及, t u q s y s 软件作简要 介绍。 3 1 有限元法介绍 有限元是一种数值计算方法，其基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代初期。 到了1 9 6 0 年，美国的克拉夫( c l o u g h rw ) h 6 1 首次使用“有限元法”这个 名词。在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限单元法在理论上已：纂本成熟，并开 始陆续出现商业化的有限元分析软件。 3 1 1 有限元法基本思想 有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 进 行模拟。有限元法采用简单丽又楣互作甩的元素，e p 单元，这样就可以用有限 数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。其基本思想是： 将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中设定有限个节点，将连 续体看作只在节点处相连接的一组单元的集合体。 选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设近似插值函 数已表示单元中场函数的分布规律。 利用力学中的变分原理去建立用以求节点末知量的有限单元法方程，将一 个连续域中有限自由度闯题化为离散域中京限自由度问题。 3 1 2 有限元法的特点 有限元法的最大优点是，对不规则几何区域的适应性好，这样对象航空发 动机燃烧室这样复杂的结构具有很大的优势。 1 8 窑：i 王些銮耋登老耋霉毫毫 ，鉴：篓耋璧蓥差鎏墨垒型：i 錾堡垒堡 3 2a n s y s 介绍 a n s y s 程序是个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、热、流体、 电磁、声学于一体的大裂通用有限元商业软彳牛，可广泛应用于核工业、铁道、 石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、士木二 程、等一般工业及科学研究。该软件提供例如一个不断改进的功能清单，具体 包括：结构高度非线形分析、计算流体动力学分析、优化设计、自适应网格划 分、大应变有限转动功能以及利用a n s y s 参数没计语言( a p d l ) 的扩展宏 命令功能。基于m o t i f 的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式巢单进行数 据输入和功能选择，方便用户操作。a n s y s 软件靛与大多数c a d 软件实现数 据共享与交换，如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a u t o c a d 等，它是现代产品设计 中高级c a d c a e 软件之一。 3 3f l o t r a n 单元的特点 a n s y s 中的f l o t r a n 单元，即f l u i d l 4 1 和f l u i d1 4 2 ，用予鹪算单相糍性流 体的二维和三络流动、压力稚温度分布。对于这特单元，a n 钳s 通过质量、动 量和能量三个守恒性质采许冀流体的速度分量、压力、以及瀑度。 f l u m l 4 1 单元： 维数：二维 形状：四节点阻逑形或三节点三角形 自由度：速度、压力、滠痰、紊流动能、紊流麓爨耗散、多达六种流体的 备自质量所占的份额 f l u i d l 4 2 单元： 维数：三维 形状：四节点四面体或八节点六面体 自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的 各自质爨所占的份额 厂 l - 一 f l u i d l 4 1 单元 f l u i d t 4 2 单元 1 9 西北工业太学硕士学位论文 第3 章有限元算法及a n s y s 软件介鲳 f l u i d 单元的其他特征 f l u i d 单元的其他特征包括： 用于模拟紊流的二方程紊流模式 有很多推暴结果。诸如j 滤场分析中豹马赫数、压力系数、总压、剪应 力、 壁面处的y - p l u s 、以及漉线函数；热分析中的热流、热交换( 膜) 系数等。 流体边界条件，包括：速度、压力、紊流动能以及紊流能爨耗教率。用 户无需提供流场进口处紊流项的边界条件，因f l o t r a n 对此提供的 缺省值适用于绝大多数分析。 热边界条件，包括；温度、热流、体积热源、热交换( 膜) 系数 3 4a n s y s 网格划分说明 我们所研究的对象是流固耦合闷题，所以在此处详细费绍一下流固耦舍的 网格划分方法 对于流固耦合的问题，求角翠的闯题既包括流体的流场分布情况，也包括熬 个模型的温度场情况，而且在翻体中温度场梯度是菲常太豹，在流圃的分界面 ( i n t e r f a c e ) 处，流场应该有粘牲底层，而且也有一个温度层。另一方西，在流 场的中心线上，由于远离壁面，蒸流速和温度的变化情况橹对来说不大。因此 在整个模型上由于上述的不同，网格的划分就不鼹够采孀统一的密度形式。固 体和壁面附近处就必须采用密的网格，而在流场中绞处，就可以戈口稀疏一毖。 这样既保证计算能够进行，计算熊得到比较正确的结果，而且也耐以不用占用 太多的计算时间。具体怎样划分，密度怎样就要根据具体情况来说了，如求解 的精度，模型的几何特征，以及初始的祭件等。 随着c f d 技术的发展，计葬域越来越复杂，与结构网格相比，非结构网格 在处理复杂外形问题上非常灵活，有很强的适应性，可实现全自动韵入力参与。 目前，最常用的非结构网格生成方法燕登有蕊t a u n a y 三凳纯方法和阵面推 进法。 d e l a u n a y 方法是基于对空间无序点的连接形成非结构鼹格的。首先在计算 空间按某种方法分布一系列湖格节点，然后按照一定准则将这些点连接成网格 举元，并进一步进行必要盼光顺翻修正，最常用的是d e 轴蝴a y 球面准则，对于 二维情形要求三角形单元的外接瘸内不包含其他节点( 鄂空外揍豳礁则) ，对于 三维情况则为四面体单元的相关球内不包含其他节点。这种方法的优点是生成 的网格形状比较合理，同时生成网格的速度也比较快。但是这种方法在网格生 2 0 西北工业大学醺士学位论冀 第3 章育耀元算法投a n s y s 软件介绍 成过程中还耍考虑内部节点的生成方法，因此节点的生成方法是d e l a u n a y 网格 生成法的关键。 推进正面法是目前采用相当多的种方法。其网格生成的基本过程是：以 计算的边界为初始推进面，选取某一适当边作为推进面，利用一定的生成准则 在计算域生成新的节点，用新点与原有的边生成新的单元，如此重复下去，直 至计算域都分布了瞰格单元为止。正面推进法的优点是易于控制网格单元的分 布，边界附近的单元质量铰离。但此法对背景网格的依赖性大，对于内流计算 可能出现网格熏叠的现象。 a n s y s 流固糨合中是综合了二者韵优点，用d e l a u n a y 方法生成非结构网 格，利用阵颟推进法的思怒生成网格的内部节点。 对网格要求而言，用户可以对壁面附近的网格疏密程度进行评价。近壁湍 流模型的使用包含了“壁面对数率”，它是指离壁面的无量纲距离y 和近壁 区无量纲对数之间的关系。壁面对数计算壁面附近的粘性，其结果与实验确定 的壁面附近的速度线型是一致的。y 十值仅与壁丽节点有关，且能够后处理。y + 有一个最佳的范围： 3 0 y + l t e 火焰篱壁蕊瀣度分布 如图5 3 7 ，把火焰筒带气膜孔的固体壁分成2 个区：a 区和8 区。分别在 2 个区上沿不斌路径取点，讨论其温度分布。 图5 3 7 火焰筒固壁分区示意图 竺耋堇量些l 鎏塑耋兰鎏鎏銮。鞠。，。，。 。銎i 耋篓犁垒窒堡篁量i 邋 ( 一) 火焰筒邪向激分布 如图5 3 8 ，为s 卜s 6 的路径位鏊分布图，所取路径经避由气媵孑l 上点连线 而成，经过孔处哩体壁两穗孔中滚体甄域。 ( 1 ) 路径s i 温度分布： 图5 3 8 路径分布图 图5 3 9s 【溆度分布 ：! 坠耋；些耋墨圭耋蟹黧銮，。，嘲。，。，。，l ，。彗：耄塞型窑翟璧彗墨耋堡 图 3 9 是路径s l 的温度分布，从圈中可以看出滠度分布比较对称，大约 在7 3 2 k 到7 5 5 k 之间分布，中间位嚣温度最高，从两边开始温度向中间波浪式 增加。从曲线中分布中也可以看出在有六个下凹区域，这是小孔区，由于此处 是冷气传过区域，所以温度比较低，同时说明冷却效果比较明显。 ( 2 ) 路径s 2 温度分布 9 1 50 ，4 54s 7 s6058 2 3 s 圈5 - 4 0s 2 温度分布 图5 4 0 是路径s 2 的温度分布，s 2 在s 1 的右边，这样它比s ，更靠近商温气 体，所以使得整体平均滠度泷s 1 要高，温度分布走约在7 2 3 k 到8 2 6 k 之间分 布。摘线中有两个低温区域，此处为两个小孔区。 ( 3 ) 路径s ，温度分布： ，“z 7 4 25 7 6 3 9 日8 z z 6 图5 - 4 is 3 温度分布 5 l 塑耋三兰盔兰璧圭兰堡鎏銮 。 。， 。墓鑫耋兰墅窑塑墨彗耋耋堑 图5 4 1 是路径s 3 的温度分裙，从s 3 的位置可以看出它比s z 它更加靠近最 高温度燃气，故温度比s 2 还要裔，整个温度分布大约在7 3 3 k - 9 t 3 k 之矧，整个 曲线分布比较对称，蓝线有四个下凹区域，此路径经过四个孔区。 ( 4 ) 路径s t 温度分布： e 3 i 1 7 ，l 9 s4 7 35 7 5 l 图5 _ 4 2 s 4 温度分布 图5 - 4 2 是路径s 4 温度分布，路径s 4 在s 3 豹下面，在赢湿气体出口处，这 样冷气温度升高，冷却效果降低溢度大约在7 1 9 k 一8 5 5 k 之间。 ( 5 ) 路径s 5 温度分布： 6 a 8i 9 , t 43 1 ， 4 65 7 4 z 图5 一1 3s 5 温度分布 图5 4 3 是路径s 5 的滠度分布，可以看出，s 5 比s 。更接近最高温度燃气，同 5 2 塑i i 三些奎：譬老兰堡鎏銮。 。 鎏i 耋；基塑窑塑墨釜墨丝丝 时比s 4 更处在冷气的下游，这样使得它的温度比s 。要高，品时它也是路径s i s 。 中温度最高的。温度大约在7 2 0 k 一8 9 5 k 之i 司。从图也可以着出路径经过两个气 膜i l 。 ( 6 ) 路径s 6 温度分布： 圈5 4 4s 6 温度分布 图5 4 4 是路径s 6 温度分布，s 6 在s s 的右边，这样它比s s 接近最高燃气区， 湿度比s 5 还要高，同时它也是整个路径中濑度最高，温度分布在7 9 1 k 到1 0 2 8 k 之间。 ( 2 ) 火焰筒轴向路径进行分析： 外环轴向路径： 图5 4 5 外环轴向路径p 1 一p 3 示意图 嘲 啪 m 螂 娜 蝴 刚 柳 川 蝴 m 窑釜王辈奁差翟主誊甓薹蠢。，。， 。，。基玉蠢。基型窑黧警薹墨i i 丝 商。 b0聪044椰0 0 8r “ o i l4 勰日s $e 7 70 辨 4 l 嚣 图5 - 4 6p l 潞襁温度分布 出图5 - 4 6 霹甄番瞧丈孔与小孔豹冷龆效聚，璺瀣旋瀛嚣方向滠发逐澎拜 髓5 4 7 张鼹径滚寝势毒 由于p 2 不经过孔，故溢壤逐渐拜赢。 图5 - 4 8p 2 路径瀛度分布 p 3 与p 錾本处于对稔的饭黑上，比较图5 4 8 和圈5 4 8 可知。龋学滠度分 5 本， 内环轴向路径： 对于内环，取内环内表面，如图5 - 4 9 所示，由于气膜槽的原因，内环内表 面有熏叠区，故分区取轴向温度。 对于图5 - 4 9 中最 圈5 , - 4 9 内环内表面三个小分区示意图 圈5 5 0d l 、d u 的位置 雨 闰5 5 ld 2 温度分布 雪鎏三些銮兰堡主兰堡鎏蚤。，。甾。 。耋，：霪塞罂立基堡蕉墨丝堑： 由图5 - 5 1 可以看出大孔的冷却效采。 图5 5 2 d 1 1 温度分布 对于图5 4 9 中间的分区，其辎向路径如图5 5 3 所示： 圈5 - 5 3d 2 、d 2 2 的位置 筑lo $ 61 $：4 l a d l s t 图5 5 4 d 2 温度分布 5 6 西北工业大学硕士学位论文 第5 章算倒介绍及结果分析 由图5 5 4 可以看出，由于d 2 靠近前端处于气膜槽之上，所以温度最低， 这也说明了气膜槽的冷却效果。其余部分由于都不过气膜孔，所以温度逐渐升 高。 a，1 3 8 92 0 8 22 ， 图5 5 5d 2 l 温度分布 由图5 _ 5 5 可以看出气膜飘鹅冷却效果， 对于图5 4 9 最右端的分区，其轴囱路径直日图5 - 5 6 所示： 图5 5 6 d 3 、d 3 1 位置 口7 0 2l 川圳2 图5 5 7d 3 温度分布 5 7 酒北工业大学颈士学位论文 第5 章算侈唾舟绍及结果分析 = j = 目目_ _ _ _ _ - _ _ _ i i i iiii i i i、 i 0 从图5 5 7 可以看出，由于d 3 靠近前端处于气膜槽之上，所以温度最低， 这也说明了气膜槽的冷却效果，但是其冷却效果与d 2 相比要差，这是因为d 3 处于高温区，冷气的冷却效果有限。其余部分由于都不过气膜孔，所以温度逐 渐升高。 耋门厂 。 if ：卟一1 f ；，l ，t 一 图5 - - 5 8 d 3 t 瀛度分布 由图5 - 5 8 可以看出，虽然d 3 i 处于高温区，但是对于有气膜冷却孔的地方 冷气冲上来后其冷却效果还是不错的。 5 。2 7 计算小结： 根据计算结果分析，可以看出，气膜孔处温度会出现冁显下降，这证明冷 气的冷却效果是不错的，同时也说明计算正确反映了这种冷却效应。从计算结 果| 乜可以看出，温度不是很对称，不对称的原因有二： 其一、s i ( i = t ，2 ， 6 ) 、p i 、d i 、d 1 i 、d 2 i 、d 3 i ( i = l ，2 ，3 1 不是严格意义上的光滑弧线，而是弧线 附近网格点构成的折线，因此萁温度值有差异。( a n s y s 在后处理中，不能直 接在模型上取线，而只能取网格节点的连线代替弧线) ：其二、在计算时由于网 格的疏密及边界条件插值带来一定的误差。 两北工业大学硕士学位论文 笫6 章结论 第六章结论 6 。l 本文的研究结论 6 1 1 火焰筒壁温计算软件开发研究结论 i 本软件使用a n s y s 软件提供的用户界面开发语言u i d l 和参数化设计语言 a p d l 对a n s y s 遴行二次开发，在赛面上继承了u i d l 语言的开发模式，结合 a p d l 语言对软件傲了瓣装，大大降低了有限元软件a n s y s 的使用难度，为 不太了解a n s y s 软件的科研人员提供了个界面友好、操作简单的1 i 作平 台。 2 本软件火焰筒壁温计算模块，可以实现火焰筒三维壁温换热计算的几何建 模、模型倒入、输入物性参数、求解计算，察看结果几个模块，可以完成 个火焰简三维壁温换热计算的划分网格、加载边界条件、结聚分析的全部过 程。 3 本软件的数据库模块，用户可以将凡何模型和物僚参数先设置存放到糨瘟的 数据库中，在进行计算时可以任意选择数姑库中已有的模型和参数进行组合 生成可计算文件，方便用户的实际操作。 4 火焰简壁温计算软件的二次开发模块，可用于其他韵流固换热计算方面的几 何建模、模塑饲入、输入物性参数、求解计算，察看结果等工作。 6 1 2 算例计算结论 1 对软件进行了实际算例骏诞，其计箨结果基本和实验数据吻合，证明了软件 可靠性。 2 ，将火焰筒内外