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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

年来，关于数字孪生的概念层出不穷，其核心元素包括物理实体、数字实体及二者之间的连接。根据文献 [6] 中的定义：物理实体包括物理环境和物理本体，数字实体包括数字本体和数字环境。二者之间数据双向传递：物理实体向数字实体中传递传感器等客观的数据；数字实体利用数据对数字本体和数字环境建模仿真后，向物理实体传递具备描述、诊断、预测和优化等特征的信息，它们能实时指导物理实体的行为，并为系统运行提供辅助决策。

随着航空发动机性能指标和系统复杂度的不断上升，数字孪生技术正在成为支撑航空发动机全生命周期的重要手段。金如山[7]、索建秦 [5] 等针对国内航发设计体系的建设与完善，阐述了先进航空发动机燃烧室全生命周期的设计研发体系，包括概念性预先研究阶段、方案论证选择阶段、技术研发阶段、发动机型号研发阶段和售后服务及改进阶段5 个阶段。在航空发动机全生命周期的不同阶段，数字孪生均能发挥重要作用，但其表现形式与侧重解决的问题各有不同，以下主要介绍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。

2.2 数字孪生在燃烧室设计中的应用

在现阶段，虽然燃烧室的研发仍以试验工作为主，但是由于航空发动机燃烧室的性能要求越来越高、研制进度愈加紧迫，造成未来燃烧室的研发难度越来越大，从“传统设计”到“预测设计”的模式变革势在必行，基于数值仿真的正向设计研发体系是航空发动机研发体系的发展趋势[1，3]。基于数字孪生的双 V 型研发体系本质是基于数值仿真的正向设计研发体系的一种形式，其核心在于基于数值仿真技术开展数字化试验，减小对于物理试验的依赖。图1对比了传统的 V 型正向研发体系以及基于数字孪生的双 V 型研发体系，通过开展基于数字孪生技术的数字化试验，能够大幅缩减需求分析、方案设计、详细设计、工艺设计等阶段对于物理实体试验的依赖。具体来说，通过将量化的需求指标输入到数字孪生体中，可以在数字孪生的模拟环境下，对燃烧室的气动热力性能、结构强度性能等开展评估，诊断可能发生的故障及其产生机理，从而对燃烧室设计进行综合评估 [4]。与此同时，可以对数字孪生体开展大量的虚拟地面试验和高空台试验，预测燃烧室的功能、性能表现，以及可能出现的故障，评估燃烧室的可靠性，并对即将开展的试验方案进行评估与优化，以缩短试验台的建设周期，降低建设经费。

2.3 燃烧室数字孪生的关键技术与挑战

在设计阶段，燃烧室数字孪生的表现形式主要为“离线”孪生，其关键技术是高保真孪生模型的构建技术与不确定性量化技术。

2.3.1 高保真孪生模型的构建技术

目前，航空发动机燃烧室仿真广泛采用的湍流模型仍是基于雷诺平均（RANS）或是非稳态雷诺平均（URANS）的方法；燃烧模型通常采用小火焰面类（Flamelet-based）模型结合详细机理 [8–9]，或是涡耗散（EDC）模型结合简化机理 [10] ；对于喷雾雾化的模拟多是基于经验模型给定初次破碎后的液滴粒径与速度的分布[11]，而后采用基于球形液滴的二次破碎模型，如 TAB[12] 和 WAVE[13]，结合经典的基于平衡态假设的蒸发模型[14]，对二次雾化与蒸发过程建模。尽管现有模型存在诸多缺陷，然而，在给定合适的边传统航空发动机正向研发体系基于数字孪生的全新正向研发体系界条件的前提下，现有的仿真技术对于流动分配、总压损失已能达到较高的模拟置信度，对于出口平均温度径向分布也能达到中等的置信度。图2 所示为燃烧室设计阶段需要考虑的部分关键问题以及现有模型、方法对于这些关键问题的预测置信度示意图。总体来说，目前对于燃烧室内部的流动、压降、油气掺混的预测结果较为可信。然而，对于贫燃吹熄、高空点火与污染物排放的预测依然面临挑战。这些挑战性问题的核心都模拟置信度高中低是对于两相燃烧过程的高保真模拟，而作为两相燃烧最基本的物理过程，喷雾模型与燃烧模型的构建是燃烧室高保真数字孪生的关键。

图 1 航空发动机传统的 V 型正向研发体系与基于数字孪生的全新双 V 型研发体系

喷雾模型方面，当前对于远离喷嘴出口的二次雾化机理的认知较为透彻，并在此基础上建立了一系列较为成熟的模型。然而，对于近喷嘴出口处发生的初始雾化

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