航发燃烧室需要在宽广的工作范围内维持稳定的燃烧状态，燃烧室稳定工作范围受到燃烧效率、燃烧室出口温度、贫油熄火、总压损失等限制。其中燃烧室的贫油熄火性能是燃烧室最受关注的性能之一，无论是经常需要做大机动飞行的军机，还是对污染排放有严格要求的民机，均需要在航发燃烧室设计过程中反复进行贫熄边界预估-结果分析-燃烧室结构改进，因此发展一套高精度、低成本的航发燃烧室贫熄预测模型，对于缩短燃烧室设计周期，提升燃烧室贫熄性能，有重要意义。传统贫熄预测半经验预测方法普适性较差，纯数值模拟方法计算成本较高，而整合半经验预测模型和数值模拟的复合预测方法可以兼具普适性和计算上的经济性，适用于解决实际工程问题。
前期研究者建立了一种基于并联多均匀搅拌反应器（Perfectly Stirred Reactor, PSR）的贫熄预测方法，将Damkohler模型和数值模拟结合，基于可燃混气在关键反应区的停留时间及反应触发情况进行贫熄边界预测，该方法在主燃烧室及加力燃烧室中均进行了应用，结果表明其能在不同来流条件下维持一定的预测精度。然而，随着超短环、高温升、低污染燃烧室不断发展，燃烧室结构更为紧凑，燃烧室内的组分和温度分布情况也更加复杂，将关键区域简化成单一反应器模型进行贫熄预测，有时也会产生比较大的误差。本研究通过网格化分割反应区并将每个反应区单独进行建模处理，有效提升了预测模型的预测精度。
本方法中反应区被分为特征长度相等的多个子区域，将整个反应区简化为PSR群。分块方式如图1所示，通过分区无关性验证工作，确保分区数目能够达到计算效率和精度的最佳平衡。如图2，当前研究中对关键反应区分块数达到216块以上时，可认为基本消除局部组分、温度分布不均匀对最终预测结果的影响。
由于对反应区进行了网格化分割，所以时间尺度和Da数计算的目标对象也分为两个层级：1）整个反应区，2）反应区分割之后的块。对应计算得到全局Da数和局部Da数。全局流动时间尺度通过在数值模拟中采用惰性离子追踪方法获得，为粒子进入和离开反应区的时间差，而局部流动时间尺度通过子区域长度尺度和子区域内平均流速获得。全局化学反应时间尺度基于局部化学反应时间进行体积加权平均获得，局部化学时间尺度计算基于PSR模型中能够触发反应的最短停留时间获得，模型初始条件基于目标子区域所在流场获得。
如图3所示，局部Da数场反映在近贫熄工况下套筒出口附近对不利燃烧的因素抗性最强。由图4可知，近贫熄工况下全局Da数在1附近波动，设计工况下Da数接近11，表明本研究提出的贫熄预测方法能够明显区分稳燃工况和近贫熄工况。上述结果表明，本方法可应用于解决工程实际问题，为高性能燃烧室的设计优化提供有力的技术支持。
本项研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金资助，相关论文以Analysing Lean Blow-Off Limits of Gas Turbine Combustors Based on Local and Global Damkohler Number of Reaction Zone 发表在Aerospace Science and Technology 上。
基于Damkohler模型的航发燃烧室贫熄边界预测方法研究进展
航发燃烧室需要在宽广的工作范围内维持稳定的燃烧状态，燃烧室稳定工作范围受到燃烧效率、燃烧室出口温度、贫油熄火、总压损失等限制。其中燃烧室的贫油熄火性能是燃烧室最受关注的性能之一，无论是经常需要做大机动飞行的军机，还是对污染排放有严格要求的民机，均需要在航发燃烧室设计过程中反复进行贫熄边界预估-结果分析-燃烧室结构改进，因此发展一套高精度、低成本的航发燃烧室贫熄预测模型，对于缩短燃烧室设计周期，提升燃烧室贫熄性能，有重要意义。传统贫熄预测半经验预测方法普适性较差，纯数值模拟方法计算成本较高，而整合半经验预测模型和数值模拟的复合预测方法可以兼具普适性和计算上的经济性，适用于解决实际工程问题。
前期研究者建立了一种基于并联多均匀搅拌反应器（Perfectly Stirred Reactor, PSR）的贫熄预测方法，将Damkohler模型和数值模拟结合，基于可燃混气在关键反应区的停留时间及反应触发情况进行贫熄边界预测，该方法在主燃烧室及加力燃烧室中均进行了应用，结果表明其能在不同来流条件下维持一定的预测精度。然而，随着超短环、高温升、低污染燃烧室不断发展，燃烧室结构更为紧凑，燃烧室内的组分和温度分布情况也更加复杂，将关键区域简化成单一反应器模型进行贫熄预测，有时也会产生比较大的误差。本研究通过网格化分割反应区并将每个反应区单独进行建模处理，有效提升了预测模型的预测精度。
本方法中反应区被分为特征长度相等的多个子区域，将整个反应区简化为PSR群。分块方式如图1所示，通过分区无关性验证工作，确保分区数目能够达到计算效率和精度的最佳平衡。如图2，当前研究中对关键反应区分块数达到216块以上时，可认为基本消除局部组分、温度分布不均匀对最终预测结果的影响。
由于对反应区进行了网格化分割，所以时间尺度和Da数计算的目标对象也分为两个层级：1）整个反应区，2）反应区分割之后的块。对应计算得到全局Da数和局部Da数。全局流动时间尺度通过在数值模拟中采用惰性离子追踪方法获得，为粒子进入和离开反应区的时间差，而局部流动时间尺度通过子区域长度尺度和子区域内平均流速获得。全局化学反应时间尺度基于局部化学反应时间进行体积加权平均获得，局部化学时间尺度计算基于PSR模型中能够触发反应的最短停留时间获得，模型初始条件基于目标子区域所在流场获得。
如图3所示，局部Da数场反映在近贫熄工况下套筒出口附近对不利燃烧的因素抗性最强。由图4可知，近贫熄工况下全局Da数在1附近波动，设计工况下Da数接近11，表明本研究提出的贫熄预测方法能够明显区分稳燃工况和近贫熄工况。上述结果表明，本方法可应用于解决工程实际问题，为高性能燃烧室的设计优化提供有力的技术支持。
本项研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金资助，相关论文以Analysing Lean Blow-Off Limits of Gas Turbine Combustors Based on Local and Global Damkohler Number of Reaction Zone 发表在Aerospace Science and Technology 上。