基于特征时间模型的高效喷雾燃烧数值模拟

开展了基于特征时间（CTS）燃烧模型的高效喷雾燃烧数值模拟研究。基于CTS模型与层流有限速率燃烧模型对CFM56航空发动机模型燃烧室进行了两相数值模拟,通过比较预测的火焰结构验证了CTS燃烧模型在喷雾燃烧中的适用性。通过采用CTS模型初始化燃烧场来提高有限速率燃烧模型的数值模拟效率,提出了基于CTS燃烧模型结合降维方法的高效数值模拟方法。结果表明：CTS燃烧模型较好预测了CFM56模型燃烧室的火焰形态和组分分布,可为有限速率燃烧模型的数值模拟提供良好的初始解;采用自适应建表（ISAT）方法可减小计算时间90%,在此基础上,基于CTS模型初始化的稳态算例收敛时间减少35%,进一步结合降维方法收敛时间减少40%,证明了CTS模型具有提高喷雾燃烧数值模拟效率的潜力。     

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.      

湍流燃烧模型对双旋流燃烧室喷雾燃烧的影响

采用数值模拟与试验测量相结合的方法,研究扩展旋涡破碎模型、扩展二阶矩模型和涡团耗散概念模型等三种湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧流场的影响.在任意曲线坐标系下数值研究双级轴向旋流器环形燃烧室全流程流场,采用粒子图像测速仪测量燃烧流场气流速度分布,热电偶测量燃烧室出口温度分布.计算结果与验证试验数据比较表明:不同湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧影响较大,所得的回流区形状、速度、温度场以及出口温度分布等都不太相同,其中扩展二阶矩模型所得的结果与试验值符合最好,更适用于模拟双旋流环形燃烧室湍流喷雾燃烧.     

不同直径圆球诱导燃烧的振荡机制与频率特性

为了分析不同直径圆球诱导振荡燃烧的规律，并揭示圆球大小在振荡燃烧现象中所发挥的深层次作用，本文采用二维轴对称Euler方程和基元反应模型，对不同直径的圆球在H2/air预混气体中诱导振荡燃烧的现象开展数值模拟研究。研究发现，振荡频率并不是简单地随直径增大而逐渐从高频向低频连续过渡，而是存在两次突变，形成了超高频、高频以及低频三种振荡燃烧模态。在两种模态间过渡时，振荡达到稳定状态前，会存在一段双频耦合的振荡阶段。三种不同振荡燃烧模态的产生是受到了不同振荡机制的作用，而两种模态间过渡时的双频耦合现象则是两种机制相互竞争的结果。     

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.      

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

加力燃烧室单相燃烧模型及其应用

提出了描述航空发动机加力燃烧室内气相湍流燃烧的模型方程，并考虑了加力喷油效应。通过结合双时间尺度ｋ－ε湍流模型、热通量高温辐射模型及ＳＩＭＰＬＥ方法，对实际运行的加力燃烧室内的湍流燃烧进行了数值模拟，得到了数值流场图及温度、组分浓度的等值线分布，给出了燃烧效率和总压恢复系数，数值解证明了湍流燃烧模型的可解性与合理性。     

用不同化学反应模型对煤油超声速燃烧的数值分析

采用单步不可逆有限速率化学反应模型,同时结合离散液滴模型、概率密度函数紊流燃烧模型的混合分数平衡化学反应模型,对煤油在双模态燃烧室内的燃烧进行了数值分析。通过比较数值计算结果与实验结果,说明计算所采用的模型是有效的。在给定的计算条件下,与单步不可逆有限速率化学反应模型相比,结合了离散液滴模型的混合分数化学反应模型更能准确地预测煤油在双模态燃烧室内的喷雾燃烧,并且集燃料喷射、混合及火焰稳定为一体的凹槽火焰稳定器增强了燃料的混合和燃烧,使燃烧效率在燃烧室出口达0.880 6。      

后台阶喷氢加喷空气超音速燃烧数值模拟

为了提高带有后向台阶的超音速燃烧室的燃烧效率,提出了一种在氢气喷嘴后加一个空气喷嘴的方法,并且采用雷诺应力湍流模型和有限速率化学动力学模型对这种方法进行了数值模拟研究。计算结果表明:这种方法可以有效地改善氢气与空气的掺混效率,在计算的工况下使燃烧效率从60%提高到了64%;然而随着横喷空气的静压和马赫数的提高,会使燃烧室的总压恢复系数降低,并会使来流空气在台阶尖角处发生分离,接着会在台阶前的横截面产生激波,激波的位置也随着横喷空气的静压和马赫数的增加而前移。     

单扇区、扇形、全环燃烧室热声不稳定性试验和模拟研究

贫油分级燃烧室在单扇区、扇形、全环燃烧室试验台上均会发生自激周期性燃烧不稳定现象,但振荡模态和频率存在差异。为研究这一差异并建立三者之间的联系,同时验证热声不稳定性模拟方法,对三种试验台的燃烧不稳定性进行了试验和数值模拟研究,获得了不同试验台的振荡特性,并对数值模拟和试验结果进行了对比。结果表明:全环燃烧室存在两个失稳模态,扇形燃烧室只存在一个失稳模态,单扇区燃烧室也只存在一个失稳模态;单扇区、扇形燃烧室可以反映全环燃烧室中其中一个失稳模态,而无法反映全环燃烧室的另外一个失稳模态;三维有限元热声模拟方法准确预测了三种不同试验台的燃烧稳定性,预测的无量纲失稳频率与试验结果一致,误差在2%以内。      

AECSC-J ASMIN湍流燃烧仿真软件研发和检验

航空发动机燃烧室几何结构复杂,湍流和化学反应存在强烈非线性相互作用,需要对流动和燃烧及其相互作用进行高精度高时空分辨率的刻画,目前燃烧室湍流燃烧数值模拟仍然是高难度的瓶颈问题之一。介绍了由北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心、北京应用物理与计算数学研究所和中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心联合研发的AECSC-JASMIN软件主要框架、算法以及针对该软件的算例检验。在Sandia射流火焰、支板火焰和单头部燃烧室检验算例中,对比实验数据,射流和支板火焰预测结果与实验值一致;支板算例的平均相对误差在15%之内;单头部燃烧室模拟结果符合物理实际,总压损失与实验值基本吻合。说明AECSC-JASMIN软件可用于复杂结构高分辨率高精度湍流燃烧数值模拟。     

单头部模型燃烧室燃烧组织及NOx排放

采用光学诊断与三维数值模拟结合的方式,研究了中心分级贫油预混预蒸发模型燃烧室燃烧组织与NOx生成特征。试验测量了模型燃烧室流速、燃油、OH和NO组分浓度分布。通过与试验结果对比,采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的方法对流场的预测误差为13.9%,喷雾张角预测误差为6.0%,预测的OH和NO组分分布特征与试验测量结果基本一致。数值结果表明,在单头部模型燃烧室中,主、预燃级火焰以弱耦合的方式组织燃烧,且大部分NO在预燃级高温区域生成。燃油分级比的变化（0.15～0.30）不影响燃烧室流动与火焰分布特征,但对燃烧室出口NOx生成量有一定影响,NOx生成量随着分级比增大而减少。     

主燃孔射流对模型燃烧室流动及燃烧影响的数值研究

数值研究不同主燃孔射流对模型燃烧室内湍流流动与液雾燃烧全流程流场的影响,采用微分方程和分区相结合方法生成包括突扩扩压器、帽罩、双级轴向旋流器、火焰筒及内外环通道的模型燃烧室三维结构化网格;在任意曲线坐标系下采用多区域耦合法计算模型燃烧室的流场.采用RNG(re-normalization group)k-ε湍流模型,旋涡破碎湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程;颗粒轨道模型模拟两相流动.计算结果与试验数据的比较表明:本计算方法与数学模型适用于预测模型燃烧室湍流冷、热态流场;主燃孔结构参数变化对气流温度分布的影响比对回流区尺寸与速度分布的影响更为明显,其中主燃孔Ⅱ的出口温度分布要比其他主燃孔的出口温度分布更为合理.     

基于层流小火焰和beta-PDF的预混燃烧模型

研究了基于层流小火焰概念和假定beta-PDF(probability density function)的湍流预混燃烧模型.该模型采用PREMIX程序来计算层流小火焰,将计算结果表示为进程变量的函数,并利用进程变量的beta-PDF积分生成了用于RANS(雷诺平均Navier-Stokes)计算的PDF表.以化学当量的甲烷湍流本生火焰为算例对模型进行了计算验证,并与Zimont模型的计算结果和实验结果做了对比.结果表明,平均速度分布与实验符合的较好,温度和湍动能计算结果有待改善.本模型高估了化学反应速率,导致计算火焰比实际瘦,这是因为模型中未能考虑湍流对火焰的拉伸和弯曲效应,考虑湍流拉伸和弯曲效应的预混燃烧模型是今后进一步研究的方向.      

湍流两相燃烧不稳定性分析

采用数值模拟的方法对液体火箭发动机燃烧室内湍流两相流动与燃烧过程进行了分析,同时研究了燃烧室内高频不稳定燃烧现象。气相控制方程用欧拉坐标系下的Navier-Stokes方程组描述,液相控制方程在Lagrangian坐标系下描述,湍流模型采用高雷诺数的k-ε双方程模型,并采用高压蒸发燃烧模型。通过数值模拟分析了当燃烧室处于稳态燃烧时从喷注面到喉部之间两相混合物的变化规律;当发生高频不稳定燃烧时所研究的控制体内混合气体和喷雾的量发生振荡,并且具有相同的频率和半个周期的相位差。     

氢气引导乙烯火焰非定常燃烧过程

基于脉冲燃烧直连式试验台，开展了超燃冲压发动机氢气引导乙烯火焰的非定常燃烧过程研究。燃烧室入口条件为马赫数2、总温950 K和总压1.0 MPa。试验过程分为4个阶段：冷流、引导氢气单独燃烧、引导氢气点燃乙烯、乙烯单独燃烧。基于高频壁面压力测量和火焰荧光高速摄影，获得了代表性测点的压力时间曲线及燃烧室内火焰发展历程，提取了压力平均值、振荡幅度和频率、着火时间及反应位置等重要信息，分析了不同燃烧阶段的非定常特性。试验结果表明：在氢气单独燃烧阶段，非定常特性源于凹槽后斜坡区域氢气反应强度的变化。在氢气点燃乙烯阶段，非定常特性由氢气和乙烯火焰的“交接”引起。在乙烯单独燃烧阶段，非定常特性由燃烧和超声速流动之间的耦合引起。     

航空发动机燃烧不稳定性预测及控制研究进展

燃烧不稳定性问题广泛出现在各类航空发动机燃烧室内，该问题是火焰非定常热释放和声波充分耦合的结果，发生时伴随着大幅度的压力脉动，严重威胁发动机的稳定工作及结构安全。目前，包括中国在内的各航空发动机研制国家在多数发动机型号的研制过程中，均遇到了严重的燃烧不稳定性问题，且发动机越先进，该问题越复杂且难以解决。在深入认识其发生机理的基础上，对其进行准确预测并设计有效的控制手段，对航空发动机的研制具有重要意义。系统阐述了该问题的研究现状，介绍了燃烧不稳定性问题发生关键，即军用的钝体燃烧加力燃烧室和民用的贫油预混环形燃烧室的非定常流动及火焰响应特征。综述了该问题研究常用的燃烧不稳定性声网络预测分析模型，重点报告了为了耦合考虑燃烧室声软壁面被动控制设计，团队所发展的三维燃烧不稳定性预测控制模型。基于该模型，介绍了壁面声衬参数及布局对燃烧不稳定模态控制效果影响的研究进展，为先进发动机燃烧不稳定性的排故提供技术储备。     

模型预混燃烧室线性稳定性分析

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室进行了线性稳定性分析.利用COMSOL Multiphysics软件求解了三维Helmoholtz方程,方程的源项为耦合指数-延迟时间模型.对模型预混燃烧室进行非定常计算得到了化学反应速率的周期性变化,确定了非定常热释放发生在火焰的尖端.由压力和温度信号的相位差得到了当量比为0.72,0.8,0.88,0.97四个工况的延迟时间,分别为0.6,0.3,0.9,0.6ms.线性稳定性分析得到了模型预混燃烧室系统纵向模态频率的实部和虚部,当虚部为负数时表示线性不稳定.结果显示:系统的前5阶纵向模态中,2~4阶是线性不稳定的.其中3阶纵向模态的虚部绝对值最大,它的物理意义是对小扰动的增长率最大.因此在有扰动时,3阶纵向模态最有可能线性失稳,产生燃烧不稳定性现象.      

超声速湍流燃烧的有限速率源项封闭方法

为了发展超声速湍流燃烧中化学反应源项的封闭方法,更精确地模拟湍流燃烧相互作用,引入两类化学反应有限速率模型:PaSR(Partially Stirred Reactor)模型及其可压缩性修正模型(C-PaSR),并用于德国宇航研究中心(DLR)的氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的数值模拟。计算结果显示,支板后形成的抬举火焰在剪切层产物回流和喷氢的共同作用下稳定在支板后1~2倍支板高度的位置,流场结构与实验纹影符合较好。引入模型后的不同截面的温度和轴向速度均有所改善,特别是较远处温度场与实验结果吻合非常好。C-PaSR模型的预测结果比PaSR模型略有改善。通过化学反应源项修正系数分析了流场各处燃烧和混合的特征时间尺度相对大小,有利于理解湍流燃烧相互作用的过程。     

模型燃烧室中值班火焰稳定器的燃烧不稳定性研究

针对值班火焰的燃烧不稳定性问题，通过试验得到了不同当量比工况下的火焰结构、压力脉动信号和热释放脉动信号。对脉动信号进行傅立叶分析，获得了脉动信号的频率和振幅。结果表明，随着当量比增加，火焰形态发生变化，燃烧室内发生了164Hz三阶模态向109Hz二阶模态的转换。对火焰平均结构、火焰瞬态结构和火焰正交分解（POD）结果进行分析后发现，漩涡脱落频率和燃烧室某一阶声学模态耦合是维持燃烧不稳定性的机理，耦合的强弱和漩涡脱落的尺度大小决定了热声振荡的振幅大小，火焰形态的变化导致热释放中心位置的变化是引起模态转换的机理。