超声速凹槽大涡数值模拟研究

在超声速燃烧室内常采用凹槽增强燃料与空气的混合,实现火焰稳定,本文采用大涡模拟方法对开式凹槽流场进行了数值模拟研究,计算采用Smagorinsky 亚网格模型模拟小尺度涡的作用.数值模拟结果给出了凹槽流动的自激振荡的发展过程,以及凹槽流动中拟序结构的演变过程,如涡的卷起、增长,涡与涡之间的合并、破碎等,计算得到的凹槽波动的峰值频率和理论结果一致.     

湍流扩散火焰局部熄火现象的大涡模拟研究

为了研究湍流扩散火焰的燃烧特性和局部熄火现象的机理,使用火焰面/反应进度模型对Sandia湍流值班射流火焰E进行大涡模拟。火焰面/反应进度模型适用于非预混燃烧,基于守恒标量和反应标量构建火焰面数据库,将详细的化学反应过程映射到这两个特征标量的平面上。数值模拟结果与实验数据符合得较好,火焰面/反应进度模型能较好地模拟湍流扩散火焰和预测火焰的不稳定性。研究发现,火焰在轴向距离与中心射流直径比值为7.5至15的截面处局部熄火概率较大,这与该位置标量耗散率偏大有关;火焰在轴向距离与中心射流直径比值为30以后的流场重新点燃,原因是混合物分数和当量比变小,火焰更多处于贫燃状态。     

乙烯超声速燃烧部分预混火焰面模型数值研究

湍流涡结构的作用导致以扩散形式喷射燃料的超声速燃烧过程通常以部分预混的方式进行,为了使火焰面模型对这一燃烧过程描述的更准确,在模型中对扩散燃烧和预混燃烧状态均需要予以合理考虑。基于低Ma条件多区域火焰面模型(MRF)思想,发展得到了适用于超声速条件的部分预混火焰面模型。以碳氢燃料超声速双燃烧室结构作为验证算例,采用k-ωSST湍流模型、部分预混火焰面模型和乙烯(C2H4)的28组分72步化学反应机理对超声速湍流燃烧流场进行了数值研究。计算结果与实验数据吻合良好,验证了模型的准确性。加权系数计算结果表明,在中心剪切层和下壁面附近区域流场主要由预混燃烧控制,而其他大部分区域则由扩散燃烧控制。     

加力燃烧室流场形态与振荡燃烧数值模拟

利用数值方法对发动机加力燃烧室内的流场形态和振荡燃烧进行模拟,获得流场平均参数及涡系结构,观察到燃烧室内火焰稳定器唇口附近剪切涡对选择模型的敏感性,发现火焰稳定器后的涡脱落和回流区的周期性变化是引起加力"蜂鸣"现象和振荡燃烧的重要因素,证明了Rayleigh准则在研究此类问题时的适用性.      

两种超声速燃烧室内氢气燃烧的三维数值研究

通过隐式耦合求解可压缩N-S方程及组分方程,对台阶喷射燃烧室和支杆喷射燃烧室内的流场进行了三维数值研究.研究结果表明,支杆喷射燃烧室喷人氢气,在整个流道内产生的流向涡和横向涡更加强烈,更加能够促进氢气和空气在流向的对流掺混和扩散掺混效果,从而使得燃烧室内的掺混距离缩短;同时,这两个超声速燃烧室内的凹槽结构能起到增强掺混和稳定火焰的作用,使燃烧室后部燃烧区域增大.      

可压混合层涡并放热效应的涡动力分析

 基于双元单步不可逆燃烧动力学简化模型 ,采用紧致差分算法直接求解二维可压 Navier-Stokes方程 ,研究了时间发展非预混扩散火焰平面反应混合层流动。拟序结构由数值线性稳定性分析方法设定的粘性可压最不稳定小扰动初场促生。随放热强度增大 ,得到了基频涡卷撕裂现象。涡动力分析表明 ,放热主要通过膨胀和斜压这两种强非线性过程抑制大尺度剪切涡的演化     

模拟有限长涡片旋转的一种新数值模型

本文把涡格法中的超收敛性推广到自由涡片的演化问题，涡片的演化由ＢｉｒＫ－ｈｏｆｆ－Ｒｏｔｔ方程所控制，该方程具有强烈的非线性，难以用解析法求解。在数值模拟中通常离散涡方法。本研究表明对自由涡片的旋转问题在精确解和离散涡方法结果之间的误差主要来自点涡近似。使用基于超收格式的新数值模型可以显著地提高数值解的精度。     

用确定性涡方法模拟二维钝体绕流

以离散涡方法为基础,采用粒子强度交换法模拟涡量扩散方程,对粒子场分布产生扭曲变形时采用粒子强度重分配,数值模拟了突然起动圆柱、风攻角为的方形截面和大海带东桥的流场,计算结果与解析解及其他数值方法计算的结果均吻合的很好,数值结果显示确定性涡方法的高精度的特性使其在模拟钝体扰流问题方面具有很大的优势.     

非定常动静叶干涉作用的二维数值模拟

采用涡方法研究叶轮机内动、静叶间的相互作用,它利用全三维的、通道时间平均的定常解为基础解,并由此给出非定常扰动场的初始解。为计算叶片对扰动场的响应过程,采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程,用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程。用该方法对某型压气机的一级（动、静叶栅距比为１．７４）的动、静叶相互作用,进行了二维有粘问题的数值模拟。数值结果表明,该方法具有较好的收敛性和收敛速度;转子出口的尾迹和各种旋涡等非定常因素在静叶通道中的切割、迁移过程,非定常性对静叶攻角的影响以及脉动压力的振幅衰减特性也在文中作了分析。     

基于火焰面模型的超声速燃烧混合LES/RANS模拟

为了明晰超燃冲压发动机燃烧室内部燃烧过程的细节,建立了超声速湍流燃烧稳态火焰面亚格子模型,并采用混合LES/RANS方法对氢燃料超燃冲压发动机进行算例验证.控制方程对流项用五阶精度WENO格式离散,时间方向采用二阶Runge-Kutta方法.研究表明:(1)冷流流场中燃料分布与大尺度结构分布相似,说明混合过程受大涡控制;(2)燃烧流场中涡的尺寸明显变大,且仅存在于火焰面上,另外温度分布和主要生成物分布与涡量云图基本相同,说明燃烧过程也由大涡控制;(3)时均计算结果与实验阴影基本符合,速度剖面和温度剖面与实验测量值定性一致,说明本文的数值模拟方法和燃烧模型可以较好地描述和预测超声速流动燃烧过程.     

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。     

不同横槽结构对气膜冷却效率影响的数值研究

在不同吹风比下,对几种带有横槽的离散孔气膜冷却结构的流动过程和气膜冷却效率进行了数值模拟,分析了在相同槽深的情况下,宽槽、窄槽和斜槽对冷却效率的影响;并将斜槽的模拟结果与异型孔的结果进行了对比.结果表明:在横槽的作用下,由于面积的突扩,使得气膜孔射流向主流的穿透能力有所降低;在横槽下游,二次流能够更好地贴附壁面,气膜冷却效率有一定的提高;在低吹风比下,斜槽冷却效果明显,而在高吹风比下,窄槽冷却效果较明显;斜槽的气膜孔冷却效果优于异型孔;宽槽内出现了横向涡,窄槽内出现了涡锥,斜槽内出现了反向涡对,槽下缘处的固壁对冷却气流的横向扩散有重要作用.      

开孔沙丘驻涡火焰稳定器总压损失的试验研究

试验研究了开孔的沙丘驻涡火焰稳定器的总压损失。结果表明,和常规Ｖ型火焰稳定器规律相反,开孔沙丘驻涡稳定器比无孔的总压损失系数增大２８％。流场分析结果证明开孔沙丘驻涡稳定器总压损失增加是由于从孔进来的气流,破坏沙丘驻涡稳定器型面形成的最佳回流区气流结构,增加了稳定器出口流场的不均匀     

平面突扩管道中的湍流流动及预混燃烧计算

应用随机涡法(Random Vortex Method)对平面后台阶突扩管道中的湍流流动及预混燃烧过程进行了数值计算。与平均流场所显示的气流结构不同,瞬时流场表现出大尺度的多涡结构。由于这些大尺度旋涡之间的相互作用,回流区长度在平均值附近发生拟周期性变化。预混燃烧计算结果表明,大尺度旋涡对火焰面在流场中的分布有重要影响。     

加力燃烧室中缝式稳定器技术研究

提出了一种加力燃烧室新型中缝式稳定器.冷、热态试验研究表明中缝式稳定器具有结构简单、重量轻、低流阻、高燃烧效率、宽广的稳定工作范围等综合性能.利用PIV激光流场测试技术研究了中缝式稳定器尾迹流场, 揭示其良好的燃烧性能取决于回流区结构和特殊的旋涡脱落方式.      

A numerical study on flame and large-scale flow structures in bluff-body stabilized flames

Large Eddy Simulations(LES) in conjunction with the Flamelet Progress Variable(FPV) approach have been performed to investigate the flame and large-scale flow structures in the bluff-body stabilized non-premixed flames, HM1 and HM3. The validity of the numerical methods is first verified by comparing the predicted velocity and composition fields with experimental measurements. Then the evolution of the flame and large-scale flow structures is analyzed when the flames approach blow-off. The analysis of instantaneous and statistical data indicates that there exists a shift of the control mechanism in the recirculation zone in the two flames. In the recirculation zone, HM1 flame is mainly controlled by the mixing effect and ignition mainly occurs in the outer shear layer. In HM3 flame, both the chemical reactions and mixing are important in the recirculation zone. The Proper Orthogonal Decomposition(POD) results show that the fluctuations in the outer shear layer are more intense in HM1, while the flow structures are more obvious in the outer vortex structure in HM3, due to the different control mechanism in the recirculation zone.It further shows that the flow structures in HM1 spread larger in the intense mixing zone due to higher temperature and less extinction.     

正弯涡轮叶栅内旋涡结构的数值模拟

对某型涡轮正弯及直叶栅流场进行了三维粘性求解。给出了马蹄涡及通道涡的详细演化过程。通过对弯直叶栅两类流场拓扑结构上的差异分析,指出与直叶栅相比采用合适的弯角后正弯叶栅有利于形成稳定的通道涡,并且在相当大的轴向弦长范围内保持着这种稳定的涡结构。并将其对损失的影响进行了分析     

火焰稳定器稳焰机理的非定常观点探讨

本文在低速风洞中,利用在线式互相关PIV(ParticleImageVelocimetry)系统,对尾缘吹气式火焰稳定器及V型火焰稳定器的近尾迹流动进行了测量,在瞬态场尾流结构分析的基础上,提出了稳焰机理的非定常观点,探讨了近尾迹流动结构中旋涡的交替生成和脱落在火焰稳定过程中起了重要的作用。      

旋流对加力燃烧室性能影响的试验研究

本文探讨不同离心力分布对旋流加力室性能的影响.对模型的流体阻力、温度分布和燃烧效率进行了试验研究.旋流器出口的四种切向速度分布为:Rankine涡、强迫涡、自由涡和常数角涡.试验表明:出口为Rankine涡的旋流器,其流体阻力最小;在由离心力组织燃烧的加力室模型中,即使在小旋流数下(S=0.25)仍可获得大于90%的燃烧效率     

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。