燃烧室是航空发动机的核心部件之一，位于压气机和涡轮之间［1］，燃烧室出口温度场直接影响涡轮的寿命和可靠性［2］，是燃烧室的重要性能指标，如果发生恶化，容易在涡轮叶尖或叶根处产生高温区，严重影响涡轮性能［3］。由于燃烧室内的物理过程涉及流动、传热、化学反应等多方面，一般的试验研究工作对其内部的细节过程捕捉有限，且试验成本高。为了研究燃烧室内详细的流动传热过程，同时得益于计算机和计算流体力学（compute fluid dynumics，CFD）技术的发展，数值仿真广泛应用于燃烧室分析设计工作中［4-6］，为项目研制提供支持［7-9］。
发动机工作时压气机出口气流是不均匀的，压力、温度、速度等参数在周向和径向上都存在畸变，这些畸变经过燃烧室突扩区后会有所减弱，但不会完全消除。这些畸变传递到燃烧室内部，会影响燃烧室的气流结构，最终影响燃烧室出口温度场［10］。而燃烧室一般在假定进气均匀的前提下进行设计，常规的燃烧室部件试验同样使用均匀的进气条件，这与实际的燃烧室进口气流条件存在偏差。这种偏差是部件性能试验结果和整机、核心机中燃烧室实际性能差异的一部分原因。
杨锐［11］在5种进口流场条件下，研究了进气畸变对设计点燃烧效率及温度场、慢车状态下的效率及贫油熄火稳定性等燃烧室关键性能的影响。吴鹏龙［3］通过插板的方法模拟径向和周向速度畸变，采用CFD模拟研究燃烧室进口速度畸变和速度畸变耦合燃油脉动对燃烧室流场和温度场的影响。梁志鹏等［12］设计了径向、周向两种畸变孔板模拟压气机后的流动情况，并在三头部模型回流燃烧室中进行试验研究。孔令晗等［13］根据某型发动机压气机的计算结果，采用仿真手段研究了进气轴向、径向速度畸变、温度径向畸变对燃烧室性能的影响。王梅娟等［14］在扩压器上安装导向叶片获得不均匀的进口流场，数值模拟燃烧室进口流场变化对回流燃烧室性能的影响。赵宁波等［15］采用仿真手段研究了进气流量周向畸变对回流燃烧室性能的影响。
综上，已有文献使用压气机试验结果作为进口气流条件，但针对全环直流燃烧室的试验、仿真研究较少。本文根据压气机部件实际试验结果设计畸变板，开展全环直流燃烧室在不同进气条件下的部件性能试验，并使用火焰面生成流形模型计算均匀进气、畸变板进气的燃烧室出口温度场，将仿真结果与试验结果进行对比，分析产生变化的原因。
1 研究对象
2 仿真方案
直接进行全环燃烧室仿真计算的网格和生成的数据量太大，为了减少计算所用资源，考虑燃烧室结构主体的周期性，取包含一个头部的扇形作为计算对象，首先划分燃烧室网格。由于该燃烧室结构十分复杂，细小特征极其多，以最小化为原则，在不影响气动传热结果的前提下简化模型，简化后得到燃烧室流体域。网格类型选择四面体非结构化网格，按照初始网格尺寸（最小尺寸设置为0.3 mm、面上尺寸设置为1.5 mm、单元尺寸设置为3 mm）粗画网格1 482万，按照网格尺寸0.7倍的比例逐步细化网格，得到4 069万、6 926万网格，按照前文仿真方案计算均匀进气燃烧室温度场。相比网格细化前，仿真结果变化见表1 所示，4 069万与6 926万燃烧室出口温度场性能指标变化在4%以内。通过网格无关性验证，接下来的仿真计算分析使用4 069万网格，网格如图2 所示。
均匀进气仿真使用进口平直段+燃烧室的方式，畸变板进气仿真使用进口畸变板加燃烧室的方式，进口平直段、进口畸变板与燃烧室的交界面设置成以交界面的方式传递数据。整个计算的进口边界在进口平直段或者畸变板的进口，空气都以均匀进气的方式流入。
使用进口空气流速173 m/s、总压2.4 MPa、总温801 K、燃烧室内余气系数为2的燃烧室试验点工况作为边界条件。出口采用自由流出口，侧面为旋转周期边界，壁面绝热无滑移。燃油喷射为给定燃油喷射位置、喷雾角、SMD、喷射速度及燃油流量等参数。
本文使用CFD商用软件进行数值模拟。由于高速进气及复杂的流道变化，燃烧室中的流动处于完全发展的湍流修改状态，因此湍流模拟采用适用范围广、具有合理精度的可实现k-ε模型。它可以较好地模拟流向有曲率变化、有较强压力梯度的复杂流动问题。燃烧模型使用火焰面生成流形（FGM）模型，反应机理为21组分30步反应。对于油滴的喷射及雾化，采用Cone模型，这种模型将喷雾分成有代表性的n组，每组具有相同的位置、速度、温度、直径。用拉格朗日法跟踪这些离散液滴在全流场中的运动和输运，在计算过程中同时考虑二次雾化及液滴与气相之间的相互作用。近壁区域模拟采用标准壁面函数。
数值求解方法为Coupled压力速度耦合算法、压力离散格式选择二阶格式、其他变量的空间离散格式均采用二阶迎风格式。求解过程的控制主要由松弛因子实现。初始使用默认值加快收敛，待燃烧室出口最大温度和平均温度在一定温度范围内稳定波动后，修改松弛因子继续计算，观察出口的最大温度和平均温度，其在5 ℃内稳定波动后，认为计算收敛。
3 畸变试验
畸变试验需要设计畸变装置获得进气畸变效果，将压气机部件试验中测量的压气机出口的总压分布数据进行周向平均，得到沿径向分布的压力曲线，通过在燃烧室进口前加装畸变板得到与之变化趋势近似的畸变气流。畸变板选择环形孔方案，通过调整畸变板各环形区开孔尺寸大小，控制流场沿径向的压力分布，实现模拟压气机出口流场的作用，试验用畸变板如图3 所示。图4 为加装该畸变板后的燃烧室进口压力分布，其中相对压力为压力/扩压器进口平均压力，相对径向高度为气流径向半径-燃烧室进口内环半径/燃烧室进口环腔高度。
畸变试验系统示意图如图5 所示。试验件燃烧室为全环燃烧室，进口空气流量采用流量孔板测量（精度±1%）、进口温度采用单点K型热电偶测量（精度±1%），进口压力采用电子扫描阀测量（精度±0.5%），出口温度采用裸露式B型水冷耙测量（精度±1.5%），燃油流量采用涡轮流量计测量（精度±1%）。进口测点设置在畸变板之前的进气通道上，以减少畸变板对其的影响。
试验中，台架气源提供一定条件的空气来流，燃烧室点火并供油，在达到试验技术要求规定的试验参数并稳定的情况下，录取进气、供油与出口温度场等各项数据，具体为：
（1）在不带畸变板的情况下，控制进气参数与供油参数达到预设要求并稳定后，通过出口温度测试耙录取燃烧室出口温度场数据；
（2）在加装畸变板的情况下，在相同的油气参数条件下，重新录取出口温度场数据。
试验误差主要来源于温度/压力/流量等测量误差、供油与进气的设备波动误差、试验件的加工误差。本试验在已验收取证、具备相应资质的试验台上开展，设备与测试仪表系统的误差控制满足试验测试要求；试验件是具备质量保证资质的供应商生产加工的，并按设计要求经过检验、验收。试验系统误差在可接受范围之内。另外，本次试验中采取的是控制变量法，均匀进气试验后，即加装畸变板后重复试验，台架气源稳定供气、测试仪表未拆装或更换，燃烧室试验件未经历下台、上台或分解装配，系统误差在两次试验中的影响是一致的。
4 仿真试验
5 结果与分析
从仿真和试验对比来看，二者所显示的趋势是一致的，均表明燃烧室出口径向温度分布形态不变；燃烧室出口温度场性能指标发生了恶化；仿真显示的RTDF变化与试验结果相当；仿真显示的OTDF变化约为试验变化的二分之一。
试验只能显示最终结果，无法给出燃烧室内部气动细节，也就无法根据试验结果找到畸变引起性能恶化的原因。基于仿真和试验所显示的趋势一致性，可以从仿真所给出的流场结构分析畸变的影响。
均匀进气、畸变进气仿真的燃烧室流量分配变化如图8 所示。进气畸变引起扩压器后三股流的流量分配发生改变，主要是头部进气流量分配减少0.6%，内二股环腔进气增加0.7%，这些改变进一步引起火焰筒上大孔进气发生改变，即外环主燃孔增加0.4%，内环掺混孔增加0.5%。
进气畸变引起的流场结构变化如图9 ～11所示。首先，扩压器内部气流出现不均匀，气流速度呈现两边高、中间低的分布特点，这种与均匀进气截然不同的分布，使得燃烧室回流区形态（图9 ）、内外二股环腔气流和主燃区内流场的轴向速度（图10 ～11）都发生了改变，导致火焰筒内流态的变化。最终体现在温度上，如图12 所示，畸变导致掺混孔后燃气混合效果的变化，进而引起掺混孔后的温度分布发生变化。由于云图对比不够显著，使用离散系数量化比较，该处均匀进气为0.25，畸变为0.26，说明掺混孔后的燃气均匀性有所下降，使得畸变进气下的流场火焰筒燃气掺混程度不如均匀进气。
6 结论
本文根据压气机部件试验出口压力分布设计畸变板，对某燃烧室的进气畸变影响开展了试验和仿真研究，结论如下：
（1）相比均匀进气，畸变进气的燃烧室出口径向温度分布形态不变，但出口温度场性能指标发生了恶化；
（2）仿真显示畸变进气引起扩压器后的三股流分配变化，使得头部进气量减少和掺混孔后燃气掺混效果下降，最终导致出口温度场性能下降；
（3）仿真显示的性能指标相对变化量中，RTDF量级与试验一致，OTDF差异较大，还需进一步探索以提高精度。