燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法及装置

本发明涉及航空发动机仿真，尤其涉及一种燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法及装置。

背景技术：

1、近年来，随着高性能航空发动机技术的发展，航空发动机一直向着高增压比、高推重比、高涡轮进口温度(即燃烧室出口温度)的方向发展，这种发展趋势直接影响了涡轮叶片的可靠性和耐久性。为了保证涡轮叶片能够安全可靠地工作，需要控制主燃烧室的出口温度热点及其分布的均匀性，这对燃烧室设计提出了严格的要求。燃烧室出口温度场分布调控成为燃烧室设计中需要发展的关键技术之一。

2、航空发动机燃烧室通常分为主燃区、补燃区(中间区)、掺混区。在主燃区中，空气与燃料在燃烧室头部旋流的作用下互相混合，发生反应，形成高温的燃气，高温旋流燃气与横向射流混合，决定了燃烧室的出口温度场分布。其中，先进民用航空发动机燃烧室通常分为旋流燃烧区、掺混区，其工作过程与上述过程相同。因此，对于主燃区温度场进行评估具有较高的工程价值，目前，对于主燃区温度分布进行评估的方法主要有传统的实验法以及三维数值模拟，尚未有方法可以基于低阶模型对于旋流燃烧室主燃区温度分布进行快速预估。

3、在已有技术中，在对主燃区温度进行评估时，可采用传统实验法和三维数值模拟计算化学反应流的方式。其中，传统实验法根据实际的燃烧室构型加工试验件，并根据实际的燃烧室工况条件给定进气温度、进气压力以及燃油流量进行实际点火测量；但是，传统实验法在实际操作过程中不仅耗费大量的人力和物力，且数据检测结果的准确性并不能完全保证。

4、通过三维数值模拟计算化学反应流的方法，又称cfd(computational fluiddynamics，计算流体力学)，燃烧室的三维数值模拟采用有限体积法，则需要对燃烧室流体域(模拟范围)进行网格划分，若想要获得非常准确的结果，则需要极小的网格尺寸来保证，由于燃烧过程的控制方程非常多，且采用复杂的化学反应机理，会极大增加组分、能量控制方程的数量及求解难度，因此针对燃烧室的高保真数值模拟需要大量算力支持，计算量巨大，导致数值模拟过程耗时较长，成本较高。

5、有鉴于此，提供一种燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法及装置，以解决现有技术中存在的实验耗费人力物力，模拟预估过程耗时较长，计算成本较高，预估效率较低的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法及装置，用以解决现有技术中存在的实验耗费人力物力，模拟预估过程耗时较长，计算成本较高，预估效率较低的问题；在保证燃烧室头部主燃区的温度分布预估有一定准确性的情况下，缩短预估过程的耗时，减少计算成本，提高燃烧室设计初期迭代的效率。

2、本发明提供一种燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法，包括：

3、根据预先确定的头部主燃区的喷嘴数量和位置，确定头部主燃区的点源信息，所述点源信息至少包括在所述头部主燃区内的点源数量和每个所述点源的格式化位置坐标；

4、基于所述点源信息和预先获取的系数，通过工况建模确定混合分数场，并利用所述混合分数场得到混合分数预估值；

5、根据获取的主燃区相关数据，计算得到火焰面的参数信息，所述火焰面的参数信息至少包括火焰面的形状、位置和火焰面的厚度；

6、基于所述火焰面的参数信息，对火焰面不同区域进行赋值，以得到进度变量场，并利用所述进度变量场得到进度变量预估值；

7、基于所述混合分数预估值和所述进度变量预估值，得到头部主燃区的温度分布结果。

8、在一些实施例中，根据预先确定的头部主燃区的喷嘴数量和位置，确定头部主燃区的点源信息，具体包括：

9、获取头部主燃区的喷嘴数量和喷嘴位置坐标；

10、根据所述喷嘴的实际燃料喷射点及喷射方式，确定每单个喷嘴释放点源的数目，所述释放点源的类型包括等效点源和镜像羽流点源；

11、将所述每单个喷嘴的所有释放点源的坐标进行格式化，以得到所述点源信息。

12、在一些实施例中，基于所述点源信息和预先获取的系数，通过工况建模确定混合分数场，具体包括：

13、基于所述点源信息以及预先获取的系数，对燃烧室在目标工况下处于对应位置的喷嘴燃料产生的混合分数场进行建模，以生成所述目标工况下的混合分数场；

14、将多个目标工况下生成的混合分数场进行关联，以得到最终的混合分数场。

15、在一些实施例中，根据获取的主燃区相关数据，计算得到火焰面的参数信息，具体包括：

16、将旋流燃烧的火焰面形状低阶为两个圆锥面；

17、根据旋流出口处不同位置轴向速度以及径向速度之比，以及温度场数据，分别计算两个圆锥面的半顶角的角度值；

18、根据中截面混合分数预估结果，以及温度场数据和燃烧室几何结构，分别计算两个圆锥顶点的轴向位置；

19、根据两个圆锥面的半顶角的角度值以及顶点的轴向位置，计算得到火焰面的形状和位置。

20、在一些实施例中，基于所述混合分数预估值和所述进度变量预估值，得到头部主燃区的温度分布结果，具体包括：

21、根据所述混合分数预估值和所述进度变量预估值，计算得到各燃烧组分反应前后的物质的量之比；

22、计算每个燃烧组分的单位物质的量的焓值随着温度的变化曲线，以及混合物的初始温度；

23、基于各燃烧组分反应前后的物质的量之比、所述变化曲线以及混合物的初始温度，计算混合物燃烧后的温度，以生成头部主燃区的温度分布结果。

24、在一些实施例中，根据所述混合分数预估值和所述进度变量预估值，计算得到各燃烧组分反应前后的物质的量之比，具体包括：

25、在所述混合分数预估值小于预设阈值的情况下，以燃料为基准计算各燃烧组分反应前后的物质的量之比；

26、在所述混合分数预估值大于或等于所述预设阈值的情况下，以氧化剂为基准计算各燃烧组分反应前后的物质的量之比。

27、本发明还提供一种燃烧室头部主燃区的温度分布预估装置，包括：

28、点源信息确定单元，用于根据预先确定的头部主燃区的喷嘴数量和位置，确定头部主燃区的点源信息，所述点源信息至少包括在所述头部主燃区内的点源数量和每个所述点源的格式化位置坐标；

29、混合分数场构建单元，用于基于所述点源信息和预先获取的系数，通过工况建模确定混合分数场，并利用所述混合分数场得到混合分数预估值；

30、火焰参数计算单元，用于根据获取的主燃区相关数据，计算得到火焰面的参数信息，所述火焰面的参数信息至少包括火焰面的形状、位置和火焰面的厚度；

31、进度变量场构建单元，用于基于所述火焰面的参数信息，对火焰面不同区域进行赋值，以得到进度变量场，并利用所述进度变量场得到进度变量预估值；

32、温度分布结构生成单元，用于基于所述混合分数预估值和所述进度变量预估值，得到头部主燃区的温度分布结果。

33、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法。

34、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法。

35、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法。

36、本发明提供的燃烧室头部主燃区的温度分布预估方法及装置，通过根据预先确定的头部主燃区的喷嘴数量和位置，确定头部主燃区的点源信息，所述点源信息至少包括在所述头部主燃区内的点源数量和每个所述点源的格式化位置坐标；基于所述点源信息和预先获取的系数，通过工况建模确定混合分数场，并利用所述混合分数场得到混合分数预估值；根据获取的主燃区相关数据，计算得到火焰面的参数信息，所述火焰面的参数信息至少包括火焰面的形状、位置和火焰面的厚度；基于所述火焰面的参数信息，对火焰面不同区域进行赋值，以得到进度变量场，并利用所述进度变量场得到进度变量预估值；基于所述混合分数预估值和所述进度变量预估值，得到头部主燃区的温度分布结果。

37、该方法通过对旋流燃烧室头部主燃区进行快速重构，不需要实体实验件进行实际实验，相比较传统实验法可以节省大量的人力和物力，由于是基于低阶模型，相比较三维数值模拟，可以在保证一定精度的情况下极大减少计算的时间。从而解决了现有技术中存在的实验成本大，温度分布模拟预估过程耗时较长，计算成本较高，预估效率较低的问题；在保证一定预估精度的同时，可极大降低主燃烧区的温度场实验、计算的时间及成本，在燃烧室迭代设计初期可以大大加快迭代速度，对于燃烧室设计初期具有非常重要的指导意义，具有很高的工程应用价值。