径向双旋流燃烧室流场结构大涡模拟研究

为深入了解真实航空发动机燃烧室内流场结构,在自有CFD平台上采用动态亚网格湍流模型对一种径向双旋流环形燃烧室的单个头部构型冷态流场进行了大涡模拟。为保证模拟精度,没有对模型进行常规简化处理,对包括全部气膜冷却小孔在内的所有精细结构均进行了完全仿真。计算验证了程序对高度复杂流场的模拟能力,结果表明,大涡模拟能较为全面地反映燃烧室内复杂流场从静止启动到统计定常的非定常发展过程,并成功捕捉到流场中心回流区等各种大尺度结构及涡旋破碎泡等旋流特征;大涡模拟所获得的时间平均流场结构与已有PIV试验结果定性一致,与RANS计算相比更接近试验测量值。     

航空发动机燃烧室数字孪生体系关键技术

通过曲线坐标系浸没边界方法（IBM），在设计阶段可以实现对真实航空发动机燃烧室的高保真虚实映射，保留全部几何结构信息。在IBM方法基础上，采用大涡模拟（LES）结合概率密度函数输运方程湍流燃烧模型（TPDF），对双旋流燃烧室、某单头部直流燃烧室以及某折流燃烧室1/10模型进行真实结构仿真，测试数字孪生体系关键技术的有效性。对比预测结果和实验结果，双旋流燃烧室的旋流器出口附近轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%、15.0%；非稳态解析了真实直流燃烧室与折流燃烧室的详细湍流燃烧场，出口温度分布的平均相对误差分别为11.66%和17.95%。因此基于虚实映射得到的燃烧室数字孪生体系具有一定的有效性，该方法具有潜在的工程应用前景。     

湍流燃烧模型在航空发动机喷雾燃烧中的应用

使用自主开发的计算软件,数值模拟航空发动机旋流杯环形燃烧室三维湍流煤油两相燃烧过程,采用多维经验分析法与多步反应火焰面模型预测旋流杯环形燃烧室污染物排放,对4种湍流燃烧模型预测喷雾燃烧流场与污染物排放能力进行评估.各模型所得的计算值与试验数据较为相符,表明这些模型都可用来预测旋流杯环形燃烧室两相燃烧流场和污染物排放能力,但是不同模型的计算精度不相同.其中多步反应火焰面模型所得的出口温度分布与污染物排放与试验结果最接近,其预测精度高于其他模型.因此合理选择湍流燃烧模型可以提高计算准确性和可靠性.      

航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV测量

设计了一种基于旋风分离原理的高压粒子发生器，并成功应用于高压状态下的航空涡轮发动机燃烧室内流场的PIV（粒子图像测速法）测量.在氢氧燃烧加热来流温度为813K、燃烧室压力为2.78MPa条件下，应用PIV技术开展了航空涡轮发动机单头部燃烧室复杂内流场测量研究，实现了高温高压条件下强旋流、强扰流、宽速域流场的PIV测量，获得了接近燃烧室工作压力工况下的流场速度和流场精细结构.结果表明:该型燃烧室内流场存在多处旋涡结构，形成回流区；流场旋流作用强，横截面流场存在顺时针大涡；主燃孔射流和掺混孔射流作用明显，射流穿透深度较大，对流场结构影响显著；高温高压状态下，流场结构与常温中压状态类似.      

基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高 精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备 试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡 模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高 温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机 燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种 经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。     

航空发动机两级反向旋流燃烧室燃烧流场大涡模拟研究

为深入了解真实航空发动机内燃烧流场,采用动态亚网格模型结合单步快速化学反应(FC)、火焰面(FLM)及反应进度变量(FPV)等三种燃烧模型对径向两级反向旋流燃烧室单头部构型进行了大涡模拟。为避免模型简化误差,对燃烧室包括全部气膜冷却孔在内的精细结构进行了完全仿真。在已达到统计定常状态的冷态流场基础上首先模拟了燃料喷注和掺混过程,约2.6ms后燃料到达真实的点火位置,随后采用FPV模型在半径3mm的球形区域数值模拟了点火,展示了在主燃孔横向射流作用下初始火焰沿化学恰当比混合分数等值线传播并充满整个火焰筒的发展过程,结果显示火焰到达燃烧室出口的耗时约为6～7ms。不同模型算法预测的平均温度场与CARS测量结果作了对比,LES-FPV,RANS-FPV,LES-FLM以及参考文献中RANS-FLM计算平均误差分别为3.47%,4.17%,7.76%和11.22%,表明LES改进了模拟精度,且FPV模型显著优于FLM模型。RANS-FPV预测的出口存在严重热斑,导致其给出的出口温度分布因子(OTDF)及最大径向温度分布因子(RTDF)值分别达到0.593和0.313;LES-FPV结果均匀性最好,其预测值分别为0.284和0.193。     

预混旋流燃烧火焰三维折射率场重建

旋流燃烧器的结构参数会对航空发动机燃烧室的燃烧过程产生影响，为了获取高分辨率的流场三维信息以分析旋流燃烧器对燃烧室燃烧性能的影响并提出优化策略，可通过背景导向纹影层析（BOST）技术实现复杂流动的三维折射率、密度和温度分布的瞬态重建。首先采用镜头等效光学系统和龙格-库塔光线追迹方法对光线偏折产生的畸变图像进行模拟，在此基础上采用光流方程重建模型对规则和复杂对象的折射率场进行了重建模拟，分析了图像偏移大小的影响因素，计算了测量体、焦距等设置参数对重建误差的影响，提出了背景导向纹影的优化测量设置方法。模拟结果显示采用优化设置参数后重建折射率场较好地展示了湍流旋流火焰的旋进射流、褶皱和涡旋等流场复杂结构。     

航空发动机两级反向旋流燃烧室燃烧流场大涡模拟研究（英文）

为深入了解真实航空发动机内燃烧流场,采用动态亚网格模型结合单步快速化学反应(FC)、火焰面(FLM)及反应进度变量(FPV)等三种燃烧模型对径向两级反向旋流燃烧室单头部构型进行了大涡模拟。为避免模型简化误差,对燃烧室包括全部气膜冷却孔在内的精细结构进行了完全仿真。在已达到统计定常状态的冷态流场基础上首先模拟了燃料喷注和掺混过程,约2.6ms后燃料到达真实的点火位置,随后采用FPV模型在半径3mm的球形区域数值模拟了点火,展示了在主燃孔横向射流作用下初始火焰沿化学恰当比混合分数等值线传播并充满整个火焰筒的发展过程,结果显示火焰到达燃烧室出口的耗时约为6～7ms。不同模型算法预测的平均温度场与CARS测量结果作了对比,LES-FPV,RANS-FPV,LES-FLM以及参考文献中RANS-FLM计算平均误差分别为3.47%,4.17%,7.76%和11.22%,表明LES改进了模拟精度,且FPV模型显著优于FLM模型。RANS-FPV预测的出口存在严重热斑,导致其给出的出口温度分布因子(OTDF)及最大径向温度分布因子(RTDF)值分别达到0.593和0.313;LES-FPV结果均匀性最好,其预测值分别为0.284和0.193。     

大涡模拟模型燃烧室燃烧性能计算

对带双级扩压器的模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程,在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法进行数值研究,同时采用多维经验分析法预估燃烧性能.采用 k 方程亚网格尺度模型模拟亚网格湍流黏性;亚网格EBU(eddy-break-up)燃烧模型预估化学反应速率;多维经验分析法计算燃烧性能;并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法对控制方程进行求解,液相采用随机离散模型,两相之间的耦合采用PSIC(particle-source-in-cell)算法.通过大涡模拟瞬态及时均计算结果表明:与粒子图像测速仪(PIV)测量的瞬态速度场、出口温度分布试验数据吻合,表明在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法,数值模拟模型燃烧室两相喷雾燃烧流场,所采用的亚网格模型可以用于燃烧室气液两相喷雾燃烧流场的大涡模拟;燃烧性能计算结果与试验测量结果基本一致,说明所采用多维经验分析法可以用来数值模拟航空发动机燃烧室燃烧性能的计算,特别是污染物的预估,为设计低污染高性能航空发动机燃烧室提供有用的设计依据.      

高空来流条件下航空发动机双旋流燃烧室点火特性数值模拟

为深入了解真实航空发动机燃烧室极端条件下点火性能，在自有CFD平台上对不同高空来流条件下典型航空发动机双旋流燃烧室点火过程进行了数值模拟。为保证模拟精度，对模型包括全部气膜冷却小孔在内的所有精细结构均进行了完全仿真，并完整再现了燃烧室内从燃油雾化到点火燃烧全过程。结果表明3种高空来流条件下单次点火均失败。点火过程显示高温燃气越过旋流杯中心向上回流区扩张是点火的关键时空区域，在此时补充点火可推动火焰顺利传播到整个主燃区。对8km和6km两种状态分别增加点火次数到3次和5次后最终点火成功，结果表明前者着火极限油气比约为0.057，后者为0.038~0.042。     

LESS燃烧室非定常旋流流动

结合实验和CFD数值方法,研究了LESS燃烧室旋流器出口附近的非定常流动特征.一维热线测试结果表明:预燃级出口存在着2249Hz周期性速度振荡,而主燃级出口流动未见明显脉动.通过瞬态LES数值结果检验了在旋流器出口附近采用一维热线测量三维流动速度偏差为8%.另外,数值模拟计算得出预燃级出口速度脉动频率为2331Hz,与热线测试结果偏差为3.6%.最后通过频谱分析和相关性分析,得出周期性速度脉动由预燃级内进动涡核主导.      

模型燃烧室两相燃烧大涡模拟的并行计算

在三维任意曲线坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法对模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程进行大涡模拟并行计算研究。通过大涡模拟计算结果与雷诺平均计算结果对比表明大涡模拟方法能更好的模拟流场细观结构。同时分别采用多个处理器和动态内存分配对大涡模拟并行计算程序进行数值模拟,并行计算结果表明:多个处理器之间并行计算结果与PIV测量的瞬态速度场以及出口温度分布实验数据相互吻合,表明采用并行计算和动态内存分配在保证计算结果正确的前提下,大幅度降低计算机内存和大涡模拟计算时间。     

折流燃烧室间接点火过程研究

为了研究某折流燃烧室的间接点火过程,对三种不同初始火核位置的燃烧室进行大涡模拟计算,并结合燃烧室点火试验和性能试验进行验证。研究结果表明：折流燃烧室的主燃区可分为三个区域,分别是主回流区、横跨气流区以及次回流区;燃烧室点火成功的关键在于初始火炬进入次回流区;通过大涡模拟计算得到的贫油点火边界油气比与点火试验结果的绝对误差在0.004以内。     

On the computation of instabilities and symmetry-breaking in fluid mechanics

A review on the implementation of modern computational fluid dynamics (CFD) methods for simulating low- and high-speed flows featuring turbulent mixing, instabilities and symmetry-breaking is presented. Results are reviewed for several complex flows including turbulent mixing associated with Richtmyer–Meshkov and Rayleigh–Taylor instabilities, incompressible flows in suddenly expanded geometries, shock-induced instabilities, free-shear instabilities and complex vortex dynamics. Many of the results presented in this review have been obtained by large eddy simulation (LES), monotone integrated LES (MILES) in particular. The computational challenges associated with complex flow physics and nonlinear behaviour of the numerics are discussed.     

带凹腔的支板火焰稳定器三维大涡模拟

为研究支板冷态流场,应用LES(大涡模拟)的方法对带凹腔的支板火焰稳定器在Ma=0.06和 Ma=0.09两种工况下分别进行三维数值模拟.对比试验和仿真结果表明:三维大涡模拟结果具有与试验相似的流场结构,定量对比试验和LES结果的尾涡脱落频率的最大相对误差为9.4%；支板尾部截面流向时均速度的最大相对误差为7.7%.表明数值模拟方法和边界条件设置的正确性和可信度.又对支板的三维流场进行分析:速度越大,支板尾涡的尺寸和强度越大；支板流场存在明显的三维效应,并且随着速度变大,三维效应越明显.      

间断Galerkin方法计算叶型转捩流动

使用间断Galerkin方法研究叶型转捩流动,进行了大涡模拟(LES)和转捩模型的求解,对T106低压透平和Zierke-Deutsch压气机叶栅内的流动进行了计算.通过T106低压透平的计算对LES和转捩模型进行了比较,结果表明两种方法得到的压力分布和分离泡位置均与实验值吻合良好.LES得到的分离泡的轴向位置为0.145~0.165m,转捩模型得到的分离泡的轴向位置为0.150~0.156m.LES可以再现复杂的瞬时流动细节,对于深入研究流动机理很有意义,而转捩模型尽管无法获得足够的流动细节,但是也能预测边界层的分离和转捩现象,并且结果与LES时均结果相差不大,对于工程应用很有价值.使用转捩模型计算Zierke-Deutsch压气机叶栅内的流动也获得了与实验值符合的结果.      

突扩燃烧室低频燃烧不稳定形成机理分析

突扩燃烧室在一定的工作条件下会出现燃烧不稳定现象。采用实验和数值模拟的方法对突扩燃烧室形成低频燃烧不稳定的机理进行了研究。通过实验研究发现突扩燃烧室压强振动过程中纵向振型占主导地位,但其振动频率并不与声学频率一致。建立了适合分析燃烧不稳定的多步化学反应动力学与大涡模拟耦合的数值分析方法,对实验发动机开展了非稳态数值模拟,获得了低频燃烧不稳定形成演化的详细过程和流场结构。实验和数值计算表明突扩截面形成的旋涡脱落,以及旋涡在燃烧室内的运动过程中引起燃烧面积、局部当量比和热释放率的脉动是激发低频压强振动的主要原因。压强振动引起上游速度脉动,进而形成旋涡脱落。大尺度旋涡在燃烧室内的运动又会引起热释放率的大幅度脉动,反过来又会促进压强振动。振动频率是由压强波和旋涡运动特征时间共同决定的。     

尺度自适应方法在跨声速涡轮中的应用研究

高压涡轮流场中存在多尺度的涡系和波系结构,对涡轮部件的气动、传热以及结构强度都有重要的影响。为快速准确把握其流动机理,对Menter发展的尺度自适应CFD方法进行了改进,并将新方法分别应用于圆柱绕流以及VKI LS89跨声速涡轮叶栅等典型流动算例。结果表明改进后的尺度自适应模型具有出色的空间分辨率,模拟结果能与大涡模拟、实验数据基本吻合且计算成本约为文献中大涡模拟的2.5%。     

圆截面U形管流有限元模拟

弯曲圆管内流动具有很强的工业应用背景,管内二次涡的大小、位置及发生的频率会对流动系统的阻力及热质交换产生重大作用,研究弯曲圆管内的流动具有重要的理论意义.本文应用湍流大涡模拟方法对弯道流动进行了数值模拟.用时间推进法,给出了隐含流线迎风耗散作用的二阶完全展开Taylor-Galerkin有限元离散格式,数值计算的结果与实验结果符合较好.表明大涡模拟方法适用于边界形状复杂,存在各向异性的大尺度涡的流动仿真.