燃烧室回流流场的数值模拟

本文涉及燃烧室设计者感兴趣的流体力学研究课题。一些不同类型的回流区存在于燃烧室中。本文对各种回流流场进行了数值计算。 本文旨在研究非流线体火焰稳焰器周围的流场以及同向射流产生中心回流区的条件。编制了适于模拟许多燃烧室构型的通用程序。其特征之一是稳焰器侧壁的分层台阶表示法。计算采用压力-速度原始变量以及k-ε湍流模型。 计算结果表明了燃烧室设计参数的有趣的影响。可采用的实验数据与计算结果的比较,进一步证实了程序的通用性。     

3旋流燃烧室头部冷态流场数值计算与试验验证

为了探究单管燃烧室壁面开设光学观察窗与3维倾斜冷却孔对燃烧室冷态头部流场结构的影响规律,利用CFD软件对某型发动机单头部燃烧室结构及简化结构的流场特性进行数值计算,并利用粒子测速仪（PIV）对开设光学观察窗的单管燃烧室头部冷态流场进行了试验验证。结果表明：单管燃烧室冷态流场数值计算结果与PIV测量结果基本相同,验证了数值计算的准确性。燃烧室进口空气流量的增加不影响燃烧室回流区的大小;单管燃烧室壁面冷却孔的布置位置对冷态流场中心回流区几乎无影响;在单管燃烧室水平方向壁面上开设光学观察窗,对水平方向的回流区影响较大,而垂直平面上的回流区几乎不受影响。     

钝体火焰稳定器冷态回流区流场的数值计算研究

 一、计算方法 火焰稳定器是航空喷气发动机加力燃烧室的主要部件,钝体稳定器的回流区流场计算是研究加力燃烧室的重要手段,本文就二元锲形、V形和非常规截头式等三种火焰稳定器的回流区流场进行了计算研究,计算流场为二元等温定常流,紊流采用k—ε双方程模型描述。     

回流环形燃烧室反应流场数值模拟

采用自编计算程序,在任意曲线坐标系下对带扩压器、涡流杯、火焰筒、内外环冷却通道与弯管的回流环形燃烧室三维两相化学反应整体流场进行计算.数值预测火焰筒头部结构参数对燃烧流场的影响.所得计算结果与实验数据符合较好,结果表明:采用的数学模型和计算方法合理,该软件可供回流燃烧室优化设计与研制使用.      

倾斜回流燃烧室燃烧性能的数值研究

采用Fluent软件对某倾斜回流燃烧室进行了三维数值模拟,研究了燃烧室内部流场结构、温度分布及压力损失等特性.数值计算采用PDF燃烧模型、Realizable k-ε湍流模型、SIMPLEC压力速度耦合算法以及二阶精度迎风差值格式.计算结果与试验结果吻合较好,对回流燃烧室的设计具有一定的指导意义.     

旋流-突扩燃烧室冷态流场研究

本文对带有收扩段的轴对称旋流-突扩燃烧室模型的冷态流场进行了试验和数值计算.当旋流角为45°时,涡破碎是一个较弱的转变过程,流场受尾喷口收缩的影响较小.所以,带有收扩段和45°旋流角的旋流燃烧室比起其他结构形式的同轴旋流-突扩燃烧室具有类似超临界流动的特点.试验表明:当旋流角大于45°时,中心回流区反而减小.因此,对于旋流燃烧室来说,旋流强度增大,中心回流区并不一定增大.本文采用扩编的TEACH程序和SIMPLE方法对旋流流场进行了数值模拟计算.数值计算结果比较接近试验结果.     

辅助动力装置环形回流燃烧室数值研究

利用Fluent软件计算辅助动力装置(auxiliary power unit,简称APU)环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场,研究不同进口温度和油气比对两相喷雾燃烧流场的影响,采用标准 k-ε 模型模拟湍流黏性,离散相模型(DPM)追踪油珠运动轨迹,燃烧模型采用非预混平衡化学反应模型.计算结果表明:随着进口温度和油气比的增加,燃烧室出口温度相应增加,但温度分布规律基本保持不变;计算结果与试验测量结果比较吻合,说明采用的数学模型和计算方法可用于预估实际APU回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场.      

折流燃烧室燃烧流场大涡模拟

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构，对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程，获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态流场结构。数值计算结果表明：（1）冷热态下燃烧区流场结构分为主回流区和次回流区两部分，主回流区冷态时呈现多涡结构，热态时回流区形状受燃油射流影响呈现对称的双涡结构；（2）燃烧室中各涡团结构由各进气孔射流相互作用形成，涡团结构促进燃烧室内部的能量和质量交换；（3）热态时燃烧室前后涡流板周围存在两个稳定的点火源。     

方腔折流燃烧室冷态流场研究

方腔折流燃烧室是针对小型燃气涡轮发动机所设计的新型燃烧室设计方案,其目的是为了克服常规回流燃烧室所存在的总压损失较大、出口温度分布控制困难等问题。通过对方腔折流燃烧室和回流燃烧室的冷态流场进行数值模拟,发现在相同的工况下,方腔折流燃烧室具有对称的头部流场,其回流区空间尺度是常规回流燃烧室的9.4倍,回流强度是常规回流燃烧室的1.8倍,而火焰筒壁面总面积仅为常规回流燃烧室的51%,进出口总压损失仅为常规回流燃烧室的69.4%。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

固体燃料冲压发动机旋流冷流流场数值模拟

为了研究固体燃料冲压发动机(SFRJ)旋流流场特性,设计了一种轴向斜孔式旋流器,推导出旋流数计算式.使用数值模拟的方法计算了不同斜孔角与不同背压下的燃烧室旋流冷流流场,研究了旋流数、旋流流场结构以及总压损失等内容.旋流器出口旋流数的理论计算值与数值计算值相比差别较小,可以满足工程需要.可通过改变斜孔角度、背压等参数改变燃烧室入口旋流数,燃烧室内中心回流区与突扩台阶回流区的总压损失最大.      

弱旋流对LPP燃烧室下游流场影响的数值研究

为了解弱旋流燃烧下游的流场特性及其对贫油预混预蒸发(LPP)燃烧室的影响,采用数值模拟方法,对6种不同旋流器流道特征的弱旋流燃烧室三维冷态流场进行数值模拟。结果表明,旋流器流道特征对下游流场特性产生较大影响,不同叶片通道的旋流器下游中心回流区的形状、尺度、速度梯度和全流场速度分布均呈现出不同特征。主模旋流器旋流数低于0.51时,中心回流区基本相同且尺度较小,主要由副模旋流控制;主模旋流器旋流数增至0.59时,旋流器下游形成了由主模旋流控制的更大的中心回流区。     

模型超音速燃烧室流场和性能的数值模拟

研究了简化模型超音速燃烧室流场和性能的数值模拟方法，该燃烧室在支板后缘设置一缝隙式喷嘴，平行于超音速空气流喷射氢气。用椭圆型偏微分方程数学模型，ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ差分格式成功地计算了两种不同后绿尺寸的流场及其性能，为了对照比较，还计算了另外两种流场。计算结果表明，支板后的流场存在回流区，因喷氢的压力高于超音速空气流的压力和壁面附面层的影响，燃烧室内将出现斜冲波和膨胀波，压力沿横向变化明显，由此证明流场与“边界层流动”有性质上区别。提出了全流场按性质不同分段进行数值模拟的方法，利用计算得到的流场节点状态参数（如温度、压力等），积分获得燃烧室的性能参数，和文献的实验数据对比，计算结果合理、可靠。     

多旋流器阵列LDI燃烧室流场的数值模拟

采用雷诺应力模型（RSM）对于同旋向多旋流器阵列LDI燃烧室流场进行了数值模拟。计算结果表明,九个旋流器产生的回流区迅速变形衰减,在远离旋流器阵列的下游,形成了一个大的总体旋流。流场中存在的多个回流区及强湍流表明该燃烧室有潜力实现良好的燃烧性能。通过将RSM的模拟结果与激光多普勒测速仪（LDV）测量值进行比较发现,RSM准确描述了绝大部分流动特性,较好地求解了回流区和高速度梯度问题。     

点火位置对中心分级燃烧室点火过程影响的研究

燃烧室点火可靠性关系到发动机的整体性能,而点火位置对点火结果具有较大的影响。本文首先对点火位置位于回流区边缘中游的点火过程进行实验研究,同时采用数值模拟的方法对冷态流场和燃烧过程进行研究并与实验结果对比,从而验证数值模拟的准确性,最后采用数值模拟的方法研究了不同点火位置的火焰传播过程。结果表明,点火初始时刻,在流场的作用下,火核首先在燃油浓度较高的周向进行传播,同时在流场的作用下沿轴向向燃烧室下游传播,最终在回流区的作用下运动至燃烧室头部。当点火位置位于回流区中上游时,点火成功的关键是火焰传播到靠近头部燃油浓度较高的区域,而点火位置位于回流区下游时,其点火成功的关键是火焰传播到燃烧室中心位置并具有较高的能量。最佳点火位置位于回流区边缘的中游位置。     

高温升燃烧室贫油熄火特性数值研究

利用Fluent软件,采用经过PIV试验验证过的Realized k-ε湍流模型,对中心分级燃烧室的燃烧流场进行数值模拟,计算确定出回流区大小、温度分布及特征截面。使用特征截面特征参数法及其判定准则,对该中心分级燃烧室贫油熄火极限进行预测,并对熄火过程火焰形状的成因进行分析。结果表明:随着油气比的降低,回流区温度降低且长宽尺度增大,贫油熄火时的油气比为0.005 83且火焰呈M型,与相关试验测试结果一致。     

航空发动机加力燃烧室跨流气冷稳定器流场研究

针对1种航空发动机加力燃烧室用引气冷却的跨流稳定器结构形式,采用标准k-ε湍流模型数值模拟方法,对其流场结构进行了分析和研究,将数值计算结果与封闭风洞中PIV流场测试结果进行了对比。结果表明:跨流气冷稳定器流场结构复杂,呈3维分布,环形稳定器后方的流场结构与普通钝体的类似,带后掠角的径向稳定器后方回流区与环形稳定器回流区互相耦合为整体,与沿环形稳定器展向的回流区形成高度一体的复杂回流区结构,形成稳定的低速区,起到良好的火焰稳定作用。     

基于PIV技术的双旋流燃烧室冷态流场测量

为了掌握双旋流燃烧室流场特性,利用粒子图像测速仪(PIV)对双旋流、低排放燃烧室的冷态流场进行测量。并对流场在不同供气压降、不同测量截面上的分布特性进行试验研究。结果表明:随着进气速度的增大,回流区的面积及回流强度有所增加,回流区长度变长,燃烧室头部气流更稳定,燃烧效率更高。随着距旋流器出口距离的增加,截面上环形流场的强度有所减弱。研究结果为进一步研究利用多级旋流器实现燃烧室内稳定燃烧并降低排放提供了重要依据。     

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

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。