燃气轮机燃烧室参数化CFD设计方法研究

段冬霞，崔玉峰，聂超群

（中国科学院先进能源动力重点实验室（工程热物理研究所），北京 100190）

燃气轮机燃烧室参数化CFD设计方法研究

段冬霞，崔玉峰，聂超群

（中国科学院先进能源动力重点实验室（工程热物理研究所），北京 100190）

本文在传统CFD方法的基础上梳理了燃烧室参数化CFD设计方法的思路，该方法将变量参数化，使功能模块间无缝关联，对燃烧室进行初步设计，通过调整算法改进燃烧室结构，并对改进后的结构自动进行CFD计算，因此能大大缩短燃烧室的CFD设计周期，而且通过不断积累经验关系式、调整算法和结构数据，其功能将更加强大。然后在成熟软件的基础上，通过UG／Open API、ANSYSWorkbench脚本以及C语言编程实现了这种参数化的CFD设计方法，之后通过算例验证了该设计方法的可行性和高效性。最后简述了该方法在实际的燃烧室设计过程中的三种应用，充分证明了参数化CFD方法在燃烧室设计中的优势。

燃气轮机燃烧室；参数化；CFD；设计方法

燃气轮机燃烧室的设计是一项在相互矛盾的设计要求之间寻找折中方案的困难工作［1］。其设计方法经历了一个从简单到复杂不断发展的过程，主要包括经验方法［2］、半经验方法、半分析方法［3］、半分析机理方法［4］、混合模拟方法和CFD方法。随着对燃烧室设计要求的不断提高，CFD方法越来越受到重视，并取得了重要进展。然而在燃烧室CFD设计的过程中，经常需要改变燃烧室的结构，为此就得重新建立几何模型、生成网格、前处理（包括建立物理模型，设定边界条件、初始条件、收敛判据）、进行计算及后处理，有时还需要采用新的物理模型或者改变运行工况。这些工作不仅使得研究设计人员陷入频繁重复的操作中，容易出现人为错误，而且使得燃烧室数值模拟的周期过长，阻碍了CFD方法在燃烧室设计中的应用［5－7］。

参数化数值模拟方法是解决上述问题的最好方法。Tangirala等人［8］最早提出了参数化模拟方法，分析了一个单环GE航空发动机燃烧室两个与几何相关的参数对出口温度场的影响；Malecki等人［9－10］也采用参数化模拟方法对PW6000燃烧室进行模拟，都证明了该方法可以大大缩短模拟的周期；Motsamai等人［11］、Pegemanyfar等人［12－13］指出在参数化模拟的基础上引入优化算法可以进一步缩短燃烧室的设计周期。尽管国外的研究机构与企业已经在这方面开展了大量的研究工作，但公开发表的文献基本仅限于介绍性内容，不涉及实现的细节，而且在自动优化设计方面研究还未深入。国内相关研究较少，还处于起步阶段。

本文首先在传统CFD方法的基础上整理了燃烧室参数化CFD设计方法的思路，然后在现有成熟软件UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post的基础上，通过UG／Open API、ANSYSWorkbench脚本以及C语言编程实现了这种参数化的CFD设计方法，之后通过简单算例验证了该方法的可行性和高效性，最后简述了该方法在实际的燃烧室设计过程中的三个应用，充分证明了参数化CFD方法在燃烧室设计中的优势。

1 思路

根据燃烧室设计的特点梳理了参数化方法的流程，如图1所示，包括七大功能模块：

a．初步设计：其主要功能是根据燃烧室设计要求采用一维气动分析方法确定扩压器、旋流器、火焰筒及其冷却的结构类型、尺寸，并获得燃烧室沿程气动热力参数分布，完成燃烧室的总体设计。

b．三维流场的参数化几何建模：建立燃烧室的实体几何模型能进行结构强度的计算，但不能进行流场的计算，所以还需要创建燃烧室对应的流场计算域的几何模型；而几何参数化是实现参数化CFD设计的关键一步。

c．划分网格：流场计算域几何模型必须经过划分网格才能进行CFD计算，不仅要求网格的质量满足计算的精度，得到与网格无关的解，而且要求对复杂几何模型改型设计时，能快速自动完成网格划分，该模块的功能就是快速自动生成非结构化网格。

d．前处理：计算前的主要处理工作包括建立湍流、传热、燃烧等各种数理模型，设定进出口等边界条件，设定初始条件，以及设置计算收敛判据等。

e．计算：在上述模块的基础上，计算的运行过程，无论是传统的方法还是参数化方法，这个过程是一样的。

f．后处理：计算后获得流场的压力、速度、温度等数据，该模块的功能就是通过定义一些数学函数得到想要的数据，例如在燃烧室出口截面上应用流量平均计算函数得到燃烧室的OTDF（出口温度分布系数）。

g．调整算法：根据计算得到的燃烧室性能对燃烧室设计进行改进，是连接当前设计方案与改进方案的桥梁。

与传统方法相比，燃烧室参数化的CFD设计方法具有如下的优点：

1）相邻功能模块间无缝关联，不再需要导入导出不同类型的文件。

2）增加燃烧室初步设计功能，减少燃烧室设计过程中修改的次数，而且可以不断完善此模块的功能，逐步提高初步设计的可靠性。

3）嵌入调整算法，根据计算得到的燃烧室性能修改燃烧室，并对改进后的燃烧室自动进行CFD计算，直到燃烧室的性能满足设计要求为止。

4）在上述优点的综合作用下，避免了大量的重复操作，大大缩短燃烧室的CFD设计周期，而且通过不断积累经验、继承方法、建立数据库，可以进一步缩短设计周期。

2 实现

根据燃烧室参数化CFD设计方法的思路，该方法的具体实现可谓见仁见智，作者认为图1中b、c、d、e、f的功能庞大，可以充分利用现有的成熟软件，因此分别选用了UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post完成对应功能，如图2所示。UG提供参数化设计的建模方法，通过草图绘制、成型特征定义几何约束、尺寸约束，自动维护特征间的关联，并以表达式的形式存储几何特征参数，能够满足b的要求［14］。ICEM CFD能有效划分非结构化四面体网格。FLUENT可以通过Scheme脚本语言控制物理模型、边界条件、初始条件以及整个计算过程。在CFD-Post中使用数学函数、积分函数、物理变量、几何面体来建立表达式，用表达式计算燃烧室性能参数［15］。而a、g的功能则根据燃烧室的设计经验公式通过C语言编程来实现。

UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post所生成的文件的类型是不同的，如何避免不同类型文件的导入导出，使它们无缝关联是至关重要的。UG／Open API是UG与外部应用程序之间的接口，它提供了一系列函数，通过C语言编程调用这些函数，几乎能实现所有的UG功能［16］，更重要的是可以将a得到的几何参数传递到b，用几何参数控制流场几何模型。在ANSYSWorkbench软件平台上，ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post之间顺序无缝关联，并可以通过Workbench脚本语言进行控制。而且UG与Workbench之间有数据接口，所以利用UG／Open API和Workbench脚本通过C语言编程可以实现燃烧室参数化的CFD设计方法。

3 验证

燃烧室的结构和部件多种多样，设计要求也很多，为了简化研究，选择了一个简单的筒形回流燃烧室为研究对象，头部有一轴向旋流器，仅考虑主燃孔、补燃孔和掺混孔，而忽略冷却结构，如图3所示。采用参数化CFD设计方法，燃烧室的设计参数包括：入口空气总温、总压、流量，总压损失系数；几何参数包括：燃烧室参考截面直径，火焰筒长度、直径，主燃孔、补燃孔和掺混孔的直径及数目；性能参数包括：流量分配规律、总压恢复系数。设计的目标是通过调整开孔面积满足总压损失和流量分配要求。验证的内容有：1）初步设计程序，根据设计参数和经验参数得到几何参数，确定燃烧室初步设计方案；2）调整算法，根据当前方案的流量分配、总压损失与主燃孔、补燃孔和掺混孔开孔面积的关系，改进设计方案；3）遍历参数化CFD设计方法的整个流程。两个验证算例，其设计参数、主要经验参数和几何参数如表1所示。调整算法的流程如图4所示，其中Ai为面i的面积，Δp为总压损失，Δp0为设计总压损失，cm0i为面i的设计流量系数。

两个算例通过参数化CFD模拟得到的性能与设计要求的偏差随着方案调整次数的变化趋势分别如图5和图6所示。两个算例初始设计方案的性能与设计要求的偏差都大于5%，但小于16%，偏差并不大，说明初始设计较合理；算例1经过一次调整计算，得到了偏差均小于5%的方案；算例2经过两次调整计算，得到了偏差均小于5%的方案，说明调整算法是有效的。

如表2所示，对于算例1而言，采用参数化CFD设计方法与传统方法所需要的操作时间是相当的。参数化CFD设计方法在编写脚本文件、C语言编程、建立参数化几何模型三个方面需要花费大量的时间。而且燃烧室越复杂，几何参数越多，建立参数化几何模型所需的时间也越多；燃烧室设计参数越多、越严格，性能参数越不容易满足，调整算法就越复杂，编程所需时间也就越多。这时参数化CFD设计方法与传统方法相比优势并不明显，甚至可能还要花费更多的时间。然而再看算例2，如表3所示，参数化CFD设计方法仅需花费0．5h来修改设计参数和经验参数，之后所有设计过程即可自动进行，相比传统方法所需的18h，优势显而易见。这是因为算例2与算例1是一个燃烧室类的不同实例，所用的参数和方法相同，仅在参数取值上有所不同。可见参数化CFD设计方法是可行的和高效的。

4 应用

4．1 比较双级旋流器不同几何参数对流场的影响

研究双级旋流器四个几何参数对流场的影响，四个几何参数分别为：一级旋流器斜切孔的周向倾斜角、直径，二级旋流器叶片安装角、出口外半径。不同几何参数组合成了19种设计方案，采用参数化CFD设计方法，快速比较了各个方案对流场的影响，详细内容见参考文献［17］。表4比较了参数化CFD方法与传统方法所需要的操作时间，可见几何参数越多，设计方案越多，参数化方法用于方案比较时的优势也越明显。

4．2 某型燃烧室开孔规律迭代设计

某型燃烧室火焰筒有两种冷却结构：发散冷却结构和冲击冷却结构。采用参数化CFD设计方法，分别设计两种结构的开孔规律，然后比较两种结构的流场分布。首先建立两种冷却结构对应的参数化的流场几何模型，如图7所示。采用图4所示的算法调整几何参数满足流量分配和总压的设计要求。最后得到的两种冷却结构的速度分布如图8所示。如表5和表6所示，相对传统方法而言，参数化方法能大大缩短设计的周期。

4．3 某型燃烧室不同工况性能比较

某型燃烧室在四个典型工况下运行，如表7所示，采用参数化CFD设计方法，用工况参数来控制边界条件和初始条件，进行计算，得到不同工况下的性能参数（表8）以及温度分布（图9）。表9比较了两种方法所需的操作时间，可见前后处理越复杂，比较的工况越多，参数化CFD方法相对传统方法越节省操作时间。

5 结论

本文首先综述了燃烧室参数化CFD设计方法的思路，该方法包括七大功能模块：初步设计、三维流场的参数化几何建模、网格划分、前处理、计算、后处理以及调整算法。然后在成熟软件UG、ICEM CFD、FLUENT、CFD-Post的基础上，通过UG／Open API、ANSYSWorkbench脚本以及C语言编程实现了这种参数化的CFD设计方法，并通过算例验证了这种实现手段的可行性和参数化方法的高效性。最后简述了该方法在实际的燃烧室设计过程中的三种应用：1）快速比较燃烧室及其部件的不同几何参数方案，2）自动迭代设计火焰筒开孔规律以满足流量分配和总压损失要求，3）快速比较燃烧室不同工况下的性能，充分证明了参数化CFD方法在燃烧室设计中的优势。

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Parametric CFD Design M ethod of Gas Turbine Combustors

DUAN Dong-Xia，CUIYu-Feng，NIE Chao-Qun
（Key Laboratory of Advanced Energy and Power，Chinese Academy of Science（Institute of Engineering Thermophysics），Beijing 100190，China）

Firstly，the implement roadmap of thismethod is described based on traditional CFDmethod，in which all functionalmodules are seamlessly connected together through parametric variables and the combustor structures can be improved by adopting adjustment algorithms based on the preliminary design scheme．Also，CFD analysis of the improved scheme can be carried outautomatically．Furthermore，its functions will bemore powerful through the accumulation of empirical relationships，adjustment algorithms and structure data．Secondly，thismethod is realized by applying UG／Open API，ANSYSWorkbench scripts and C programming based on some commercial softwares．Then its feasibility and high efficiency are demonstrated through a case．Finally，three applications of themethod in the actual combustor design process are briefly described，which prove the advantages of the parametric CFD designmethod of gas turbine combustors．

gas turbine combustor；parametric；CFD；designmethod

TK472

A

1009- 2889（2014）02- 0008- 06

2013- 09- 02改稿日期：2013- 09- 29

工业和信息化部民用飞机关键技术预先研究课题。

段冬霞（1985-），女，工学硕士，主要从事燃气轮机燃烧室参数化建模、优化设计等研究．E-mail：dongxiaduan＠126．com。