超声速H_2/Air湍流扩散燃烧RANS数值模拟

为了研究修正的火焰面反应进度变量燃烧模型在超声速湍流扩散燃烧问题中的适用性,对德国宇航中心(DLR)超声速燃烧室开展RANS数值模拟。基于Open Foam软件平台中密度求解器分别对三维冷态场和燃烧场进行模拟分析。将网格自适应加密技术用于流场的计算;燃烧场计算中,通过分析不同压力下层流火焰面数据库,引入了反应进度变量源项的压力修正系数,压力修正系数α等于2.2。计算结果表明,冷态场中压力分布、波系分布、速度分布以及燃烧场中波系分布、速度分布、温度分布结果均与实验值符合较好。压力修正方法能够较好地解决超声速湍流扩散燃烧问题。湍流Schmidt数敏感性分析表明,湍流Schmidt数Sct对湍流火焰结构有较大影响,文中Sct等于0.7时能得到与实验值较为一致的分布。     

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。     

基于火焰面/进度变量模型的超声速燃烧IDDES模拟

为了清晰地描述超声速条件下的复杂流动与燃烧过程,建立了基于IDDES模型和火焰面/进度变量模型的湍流燃烧数值模拟方法,并应用于德国宇航中心(DLR)超燃冲压发动机的数值模拟。计算结果与实验数据符合良好,表明该方法可以较为准确地描述超声速湍流燃烧过程,也验证了经过可压缩性修正的火焰面/进度变量模型适用于超声速燃烧问题的求解。同时,利用k-ωSST模型对同一算例进行了计算,发现其对物理量分布的计算精度要低于IDDES模型,说明湍流输运过程的描述对火焰面/进度变量模型的计算精度有重要影响。     

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.     

基于不同PDF的超声速扩散燃烧火焰面模型对比

为了研究混合分数概率密度函数对湍流扩散燃烧的影响,采用稳态火焰面模型描述超声速扩散燃烧过程,分别采用β-PDF和δ-PDF方法对层流火焰面数据库积分得到两种湍流火焰面数据库,并对比分析了湍流火焰面数据库。结合混合RANS/LES程序,利用DLR氢燃料超燃燃烧室算例进一步对比验证采用不同PDF方法生成的湍流火焰面数据库。研究结果表明,混合分数β分布数据库中间组分随混合分数方差变化大,采用混合分数β分布的算例计算结果脉动速度较大,与实验结果符合得更好。     

超声速可压缩火焰面模型的研究进展

火焰面类模型最初是针对低速流动提出的湍流燃烧模型,本文针对其向超声速可压缩流动的推广研究进行了综述。对于火焰面模型,其数据库建立时环境压强为常数以及静焓与混合分数线性关系的假设在超声速流动中均不适用。数值实验发现:一方面,数据库中主要组分浓度对于环境压强的变化并不敏感,但中间产物浓度在不同压强下变化明显;另一方面,静焓与混合分数偏离线性关系这一因素所引起的火焰面模型获得的温度场差别很小。对于火焰面/进度变量模型,其数据库中进度变量的化学反应源项对于压强和静焓-混合分数关系的变化则很敏感,现有考虑这一影响的可压缩修正主要是通过针对利用未经修正的数据库PDF积分后的平均源项进行标度来实现。数值结果表明,可压缩标度方法可有效考虑高马赫数效应对进度变量源项的影响,从而改善火焰面/进度变量模型对超声速燃烧流动的模拟精度。     

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。     

煤油燃料超声速燃烧室火焰面模型应用探究

为了探究煤油燃料超燃流场是否满足火焰面特性,基于双支板超燃燃烧室开展试验与数值模拟研究。燃烧室入口马赫数2,总温1436K,燃料由支板分级喷注。根据燃烧室计算结果与火焰面模型判据可知:在微观上,绝大部分燃烧区的Karlovitz数不超过100,耗散涡不会对火焰结构产生显著影响,可近似满足火焰面要求;在宏观上,燃烧区的Damkohler数远高于局部熄火临界值,湍流强脉动导致的破碎火焰时均化具有层流火焰特性,雷诺时均N-S(RANS)方程结合层流火焰面计算与该特性是相符合的。试验中,不同上游当量比导致燃烧室存在两种稳定的燃烧状态:上游燃烧状态和下游燃烧状态,火焰面模型结合煤油23步反应机理可以准确描述两种燃烧状态的湍流燃烧特性,因此RANS结合火焰面模型在煤油燃料超声速燃烧室数值模拟方面具有一定的适用性和准确性。     

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.      

湍流燃烧模型对氢燃料超燃室流场模拟的影响

采用化学平衡的假定概率密度函数(PDF)模型和火焰面模型计算了德国宇航研究中心的超燃室反应流,计算结果与有限速率反应模型的和实验的结果进行了对比.使用有限体积法离散Favre平均的N-S方程,湍流模型采用k-ε模型.研究表明:(1)有限速率反应模型在喷氢孔近场,化学平衡的假定PDF模型在喷氢孔远场不能准确捕捉流场的细致结构,而火焰面模型对全流场预测较好,后两种模型的计算时间较有限速率反应模型节省约38%;(2)超燃室内湍流和燃烧相互作用不可忽略,从预测精度和计算效率来看,火焰面模型有较好的工程应用前景.      

采用详细化学反应机理的火焰面模型模拟煤油两相燃烧流场

基于可实现的 k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型、火焰面模型和航空煤油详细化学反应机理对模型燃烧室内两相燃烧流场进行了数值模拟.其中详细反应机理由替代燃油(80%质量分数的正癸烷,20%质量分数的1,2,4-三甲基苯)的反应机理和NO_x的反应机理组合而成.通过与实验数据的比较,考察采用该详细化学反应机理的火焰面模型模拟RP-3航空煤油燃烧流场的准确性,特别是污染物排放计算的精度.结果表明:稳态火焰面模型模拟的温度场和CO₂生成量与实验数据吻合较好,而预测的NO排放量与实验值偏差较大;非稳态火焰面模型显著提高了NO的预测精度,在工况1(来流马赫数为0.16,进口温度为537K,油气比为0.0048,常压)条件下与实验数据吻合较好,但在工况2 (来流马赫数为0.155,进口温度为523K,油气比为0.010,常压)条件下仍过高估计了NO的排放量.      

值班甲烷/空气射流火焰的小火焰模型模拟

将小火焰模型和假定的PDF方法相结合,模拟甲烷湍流射流扩散火焰,稳态火焰面结构由层流小火焰数据库得到,采用详细化学反应机理描述甲烷的氧化和NO以及碳烟的生成,数值模拟结果和实验数据吻合较好,说明小火焰模型可以较准确地计算出扩散湍流火焰中的燃烧过程。      

超声速反应流火焰面/进度变量模型

基于Pierce低马赫数条件下的火焰面/进度变量模型,考虑可压缩性和激波的影响,发展了用于超声速湍流反应流的火焰面/进度变量模型.该模型通过求解混合分数和进度变量两个标量方程来描述化学反应,且采用火焰面方程解的完整的三个分支:稳态燃烧分支、具有局部熄火状态的非稳态分支和完全熄火分支.利用该模型对德国宇航中心(DLR)的超燃冲压发动机进行模拟,与稳态火焰面模型得到的附着火焰不同,计算结果捕捉到了熄火和火焰抬举现象;且数值阴影和平均温度分布与实验结果吻合较好.      

预混湍流燃烧的level-set小火焰库方法研究

针对燃气涡轮发动机中贫燃预混预蒸发燃烧室,考虑详细化学反应机理,结合Level-set方法与小火焰模型模拟预混火焰,计算了甲烷/空气贫燃预混燃烧的火焰面的位置,并比较了在贫燃条件下各当量比的NO排放值,计算与实验结果吻合较好。      

脉动标量场的数值模拟

分析多元流体在湍流条件下的混合、传热或化学反应时需要考虑各组元的浓度、温度等标量参数的脉动.本文基于湍流模式理论,介绍标量参数的一种模化方法,并用该方法对流入静止环境的热射流进行了数值模拟.计算结果与实验数据进行了对比,表明该方法对算例条件下的温度场预测可以取得满意的结果.     

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.      

斜切径向旋流燃烧室主燃区光学测量与特性分析

针对斜切径向旋流环形燃烧室模型,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)光学测量手段,在模化状态(Case 2)下,对燃烧室主燃区进行温度测量,分别得到了主燃区内12个点的温度和沿两条路径的积分温度.使用Fluent 12.0对Case 2进行数值模拟,分别使用两种非预混燃烧模型:平衡化学反应模型(EM)和稳态层流小火焰(SLF)模型.通过将两种不同燃烧模型的计算结果与TDLAS,CARS试验测量数据作对比验证,发现EM计算得到的温度更高,并与试验测量温度更符合,其中与CARS测量的误差小于6%.在试验验证的基础上,完成燃烧室在冷流状态(Case 1)下的计算,分析主燃区的气流组织和主燃孔射流对回流区的影响;利用EM计算分析燃烧室主燃区在全压状态(Case 3)下燃料分布、温度场、组分分布和性能参数,如燃烧室的燃烧效率为0.97、出口温度分布系数为0.312等,较为全面反映了燃烧室内气流流动换热和燃烧现象.      

采用火焰面/反应进度变量方法模拟湍流燃烧

在自主开发的软件平台上添加了火焰面/反应进度变量方法,选取了两种反应进度变量分别对甲烷/空气的同轴射流燃烧室进行了数值模拟.将计算结果与稳态火焰面模型、文献参考值以及实验值进行了对比研究,结果表明:采用火焰面/反应进度变量方法能捕捉到稳态火焰面模型所不能预测到的火焰抬举等非稳态现象,得到的结果与文献参考值以及实验值出入很小,能准确反应真实的燃烧过程;另外不同反应进度变量的定义对计算结果有较大的影响,采用火焰面/反应进度变量方法对主要中间产物一氧化碳的预测比文献参考值更好,更接近于实验值.      

离心压缩机密封及空腔流动的一维/三维耦合建模研究

为了在保证数值预测精度的同时降低离心压缩机的建模复杂度,以一维密封泄漏计算替代完整的密封及空腔建模,开展了离心压缩机盖盘密封及空腔流动的源项建模方法研究。结果表明:基于源项方法的密封及空腔简化建模仅需在主流道建模基础上施加泄漏质量流量、总温和摩擦损失源项边界条件,即可较高精度地还原完整的盖盘密封及空腔建模的性能和关键流动细节。与完整建模相比,在全工况下源项建模预测的等熵效率的绝对偏差小于0.65%,总压比和等熵效率的相对性能偏差小于1%。该方法可在满足下游部件匹配设计精度需求的同时,减少50%以上的网格数量,并显著提高计算的经济性和收敛性。泄漏流量的计算精确度是影响源项建模法性能预测准确性的最关键因素,耦合建模可以采用一维计算中推荐的密封泄漏系数值。