哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
由于航空工业对高温升航空发动机燃烧室的性能要求不断提高，传统燃烧室
受制于自身结构难以实现高性能目标，先进的燃烧组织技术亟待发展。多喷嘴燃烧
作为一种先进的燃烧组织技术，可以通过燃烧分区实现燃料在燃烧室内的合理分
配，进而提高出口温度分布均匀性，减少污染物排放。本文以航空发动机环形多喷
嘴燃烧室为研究对象，以OTDF（outlettemperaturedistributionfactor,出口温度分
布系数）、燃烧效率、总压损失和出口NOx排放等燃烧特性参数作为评价指标，对
环形多喷嘴燃烧室进行了变结构和变工况条件下的数值模拟研究。
为实现定量评价环形多喷嘴燃烧室的性能，本文建立了一套系统性的多喷嘴
燃烧室变结构数值模拟及后处理方法，主要内容包括：（1）数值模拟方法的建立和
验证；（2）数值模拟后处理方法的建立，包括确定OTDF、燃烧效率、总压损失、
NOx排放量等特征变量的计算公式等；（3）确立计算工况，为了用尽可能少的工况
计算点拟合出较为准确的结果，选用拉丁超立方抽样方法决定样本点的位置，并通
过Kriging响应面法拟合出全部工况点的响应值；（4）最优结构初筛及响应面优化，
在最优解附近进行局部加密，提高响应面精度，通过高精度的Kriging响应面拟合
出全部576个工况点的响应值，得到最优燃烧室结构。
利用以上系统且高效的结构寻优方法，本文对环形多喷嘴燃烧室的喷嘴数N、
叶片安装角α、叶片安装位置L和燃料喷雾锥角γ四个结构特性参数展开了结构优
化研究，最终得到N=5、α=45°、L=27mm、γ=80°的最优燃烧室结构。同时，在
研究过程中发现，随着N增加，燃料与空气之间的掺混情况变好，燃烧室内组分
分布也更加均匀，出口温度均匀性上升，说明多喷嘴燃烧组织方式是一种有潜力的
高温升燃烧室发展方向。
为了验证最优燃烧室的性能，本文基于最优结构燃烧室进行了变油气比、变入
口空气温度以及变温升条件下的燃烧特性数值模拟研究。结果表明，燃烧室总压损
失与入口空气温度呈线性关系，无论燃烧室出口温度是否改变，入口空气温度每升
高100K，总压损失增加0.3%；燃烧室变工况时，其高温区始终维持在流场中心位
置，因此壁面不易被高温烟气烧蚀，说明本文得到的最优结构燃烧室可以在宽工况
范围内安全稳定运行。
本文通过对环形多喷嘴燃烧室变结构和变工况条件下燃烧特性的数值模拟和
分析，为多喷嘴燃烧室的结构优化和设计提供了系统性的完整方案，预期可以为航
空发动机多喷嘴燃烧室的结构优化和快速建模提供一定参考，并证明了多喷嘴燃
-I-
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烧室具有一定的结构先进性和宽工况适应能力。
关键词：环形多喷嘴燃烧室；响应面法；燃烧特性；数值模拟
-II-
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Abstract
Duetothecontinuousimprovementoftheaviationindustrysperformance
requirementsforhightemperatureriseaero-enginecombustors,traditionalcombustors
aredifficulttoachievehighperformanceduetotheirownstructure,soadvanced
combustionorganizationtechnologyneedstobedevelopedurgently.Asanadvanced
combustionorganizationtechnolo