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清华航发院丨数字孪生在航空发动机燃烧室设计阶段的应用

	任祝寅教授，博士，杰青研究方向为航空宇航推进理论与技术和航空发动机燃烧仿真与测试技术

导读：随着航空发动机性能指标和系统复杂度的不断提升，数字孪生技术正在成为支撑航空发动机全生命周期管理的重要手段。燃烧室是发动机的心脏，其研制过程具有难度大、周期长、花费高等特点。基于数字孪生的设计技术能够预测燃烧室的性能，评估其可靠性，并对试验方案进行预先评估与优化，大幅缩短燃烧室设计的时间，同时降低经费支出。简述了航空发动机燃烧室在设计阶段面临的挑战，并针对数字孪生在航空发动机燃烧室设计阶段的应用与关键问题进行了简要的综述与展望。

燃烧室是航空发动机的心脏，需要在高温、高压、动态特性快速多变的严苛条件下长期保持稳定的工作状态。航空发动机燃烧室的研制过程具有难度大、周期长、花费高等特点。为满足不断提升的发动机任务需求与技术指标，发动机系统的复杂度显著增大，燃烧室设计也面临着跨越式发展的挑战 [1]。

燃烧室性能是流动、燃烧、传热等多学科深度耦合的综合效果，设计极为复杂，目前国内航空发动机燃烧室的研发仍以试验为主。随着计算流体力学的快速发展，基于高保真数值模拟的设计技术极大提升了航空发动机的研发效率，使得发动机的研制周期由 10~15 年缩短至4~5 年，同时大幅降低了研发成本，使得样机数量由 40~50 台减少到 10 台左右 [2]。

近年来，随着计算机技术、信息技术与数据科学的进一步发展，以智能制造为主导的数字化制造技术正在形成。作为支撑未来物理与虚拟世界之间虚实交融的重要手段，基于数字孪生的设计技术将助力燃烧室跨越式发展 [3]。燃烧室的高保真数字孪生体能够预测燃烧室的性能，评估其可靠性，并对试验方案进行预先评估与优化，大幅降低燃烧室设计的时间与经费支出[4]。本文简述了航空发动机燃烧室在设计阶段面临的挑战，并针对数字孪生在航空发动机燃烧室设计阶段的应用与关键问题进行简要的综述与展望。

航空发动机燃烧室设计面临的挑战

燃烧室是发动机核心机的三大部件之一，在燃烧室中化学能通过燃烧过程转化为热能进而做功，燃烧室因而被称为发动机的心脏。燃烧室的工作条件非常严苛，承受着发动机中最高的压力（可达 7 MPa）与最高的温度（可达 2100 ℃），同时需要面对快速多变的系统需求。在恶劣的工作条件下，燃烧室还需要具备优异的性能，包括高空、高原和高寒条件下的点火性能，慢车贫油、吞水、吞冰以及武器发射情况下的稳燃性能，高燃烧效率、低污染排放等[2]。

目前先进燃烧室可以称作第 3代，索建秦等 [5] 对航空发动机燃烧室的划代进行了详细的描述，第1 代燃烧室大致出现于 20 世纪 40~70 年代，典型压比约为 10，火焰筒上设置有主燃孔与掺混孔，主要形式是环管燃烧室，典型的代表包括 WP6 发动机燃烧室和 J79 发动机燃烧室；第 2 代燃烧室出现于 20 世纪 70~90 年代末，典型的压比约为 20，主要形式是短环型燃烧室，典型代表有 RB–211 发动机燃烧室和 CFM–56 发动机燃烧室；第 3 代燃烧室分为低污染燃烧室和高油气比燃烧室，参与燃烧的空气全部由头部进入，没有主燃孔。可以看出，每代燃烧室的构型以及对设计的要求均有所不同。以第 3 代燃烧室为例，由于参与燃烧的空气全部由头部进入，燃烧区的空气动力学几乎完全由头部进气决定，造成其设计和研发与前两代发动机存在显著差异。随着飞机对发动机要求的不断提高，对燃烧室的要求也越来越高，燃烧室设计也面临着跨越式发展的挑战。

航空发动机燃烧室的研制是一项典型的复杂系统工程，面临着研制需求、系统组成、项目管理、工作环境复杂等问题。燃烧室的一些性能要求往往造成互相矛盾的设计方案，比如高温升燃烧室大工况下冒烟与小工况下贫油熄火之间的矛盾，低污染燃烧室中氮氧化物排放与一氧化碳排放之间的矛盾等。另外，由于燃烧室内部流动、燃烧、传热之间的深度耦合特性，造成设计指标与设计参数之间往往缺乏简单的对应关系，而且牵一发而动全身。这些特性给燃烧室的设计带来了诸多挑战。

数字孪生在燃烧室设计阶段的应用、关键技术与展望

2.1 数字孪生的含义

2003 年，美国密歇根大学的Michael Grieves 教授提出了“数字复制品”的概念。2011 年，美国空军研究实验室（AFRL）提出了“机体数字孪生”的概念。近

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