大涡模拟模型环形燃烧室污染特性

在任意曲线坐标系下,采用大涡模拟模型环形燃烧室两相燃烧流场中污染物的生成.用亚网格涡破碎(EBU)燃烧模型估算化学反应速率;分别用NO亚网格动力学模型与CO亚网格模型来模拟NO和CO的生成;采用随机离散模型模拟气液两相湍流流动,两相之间耦合采用PSIC算法.计算结果与瞬态速度场、出口温度和污染物质量分数分布的实验数据比较吻合,表明大涡模拟方法和亚网格模型可以用来预估实际燃烧室两相喷雾燃烧流场和污染物生成过程.      

基于FGM和附加输运方程的NO数值模拟方法研究

为研究污染物NO的数值计算方法,对Sandia Flame D火焰的燃烧流场和NO排放进行了数值模拟研究。采用Realizableκ-ε模型捕捉湍流特征,分别采用绝热和非绝热FGM(Flamelet Generated Manifold)模型模拟热力化学特性,辐射模型采用光学薄模型(OTM)。由于NO的生成过程是慢反应过程,FGM模型的控制变量的时间尺度没有包含NO的时间尺度,因此通过求解NO的输运方程进行NO预测,其化学反应源项由FGM数据库直接插值得到。模拟结果与试验进行对比表明:FGM模型能够很好地捕捉燃烧流场的热力化学特征,但在上游富油区会过高地预测CO;辐射对温度、NO及其化学反应源项分布有非常强的影响,但对H_2O,CO_2,CO的影响较小;采用求解NO输运方程的NO质量分数模拟精度明显高于直接由FGM数据库插值得到的NO质量分数,而且非绝热FGM模型得到的NO质量分数的模拟精度明显高于绝热FGM模型的,为精确模拟NO需要考虑NO的动力学特性和辐射效应。     

燃烧室污染物生成大涡模拟模型的研究

采用亚网格动力学模型和联合概率密度函数(PDF)亚网格模型对污染物NO的生成进行大涡模拟.计算中采用的数学模型有:k方程亚网格尺度模型来估算亚网格湍流粘性;亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率;在交错网格体系下, 采用SIMPLE算法和混合差分格式来求解差分方程.数值分析两种不同亚网格污染物生成模型和两种进口气流温度对NO排放的影响, 计算结果与实验数据比较表明:两种亚网格污染物生成模型都能较好的预估燃烧室污染物NO的生成, 但亚网格动力学模型的计算工作量要比联合概率密度函数亚网格模型少得多, 更适合工程应用.      

乙醇-空气稀液雾值班火焰的大涡模拟研究

为加深对气液两相湍流燃烧现象的认知,检测火焰面模型在液雾燃烧中的适用性,本文在欧拉-拉格朗日架构下使用火焰面/反应进度变量模型(FPV)数值模拟了乙醇-空气稀液雾值班火焰。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟方法模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑了相间质量、动量、能量交换。燃烧模型中采用碳元素定义混合物分数,在混合物分数方程源项中体现液相对燃烧模型的影响。模拟得到的气相温度分布和液相统计值均和实验数据较好吻合,验证了该燃烧模型对稀液雾扩散类型火焰的适用性。分析瞬时图发现,该稀液雾火焰的最高燃烧温度往往位于当量混合物分数附近,在出口下游20倍直径处火焰完全点着,此处上游FPV模型能给出局部点火熄火现象。蒸发作用在剪切层和点火区域较强,而液滴和火焰作用较弱,单一液滴很少被火焰包围。     

湍流贫燃预混射流火焰的大涡模拟

为了研究高Karlovitz(Ka)数下湍流预混火焰的驻定机制和火焰结构,采用化学热力学建表方法结合假定概率密度函数(PDF)模型,对值班预混射流火焰(PPJB)进行大涡模拟(LES)研究。选取自点火模型作为建表模型,使用假定PDF模型考虑湍流和化学反应之间的相互作用,其中假定双混合物分数的概率密度分布为Dirichlet分布,反应进度变量的概率密度分布为β分布。模拟结果表明,能较好预测PPJB火焰的温度和主要组分的分布。使用中间组分(CO和OH)的质量分数来定性描述PPJB火焰结构,结果表明高Ka数下火焰结构受到湍流涡旋的显著影响。     

随机场TPDF在非结构网格平台的开发及检验

为实现对燃烧室内部燃烧过程的高精度数值模拟，增强航空发动机燃烧室研究手段，采用开源的非结构网格平台 Saturne，开发可以耦合详细化学反应机理，高精度解析湍流燃烧过程的概率密度函数输运方程（TPDF）湍流燃烧模型。采用随机 场方法求解TPDF方程，在原有程序基础上研发了TPDF程序模块及配合的加速算法等模拟单元，发展了针对燃烧室燃烧过程模 拟的软件功能。采用射流火焰Flame D和旋流火焰TECFLAM对新软件进行了测试，结果表明：模拟结果与试验数据趋势一致，精 度尚可。对某型燃烧室性能模拟验证中，计算的出口温度分布与试验结果一致，平均温度误差小于3.8%，新的软件可进一步应用 于燃烧室性能的研究。     

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。      

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。     

甲烷/空气射流抬举火焰的大涡模拟计算

为了研究中高温伴流中的自动着火特性,采用大涡模拟(LES)和均匀搅拌器(PSR)结合假定概率密度函数的建表湍流燃烧模型对甲烷/空气射流在高温伴流中的抬举火焰数值研究,并比较反应进度的不同概率密度分布对结果的影响。结果表明,计算结果与实验值符合得较好。PSR建表方法能够捕捉到高温伴流抬举火焰的点火过程,能够正确预测火焰的抬举高度,但在火焰稳定燃烧区域该建库燃烧模型还存在不足。同时,反应进度的亚格子脉动对准确模拟抬举高度十分重要。     

预混燃烧大涡模拟和燃烧模型的检验

用代数二阶矩亚网格(ASOM-SGS)燃烧模型对文献中测量的钝体后方丙烷-空气预混燃烧进行了大涡模拟,模拟统计的时平均速度、速度脉动均方根值和温度分布与实验数据结果吻合很好,表明所采用的ASOM-SGS亚网格燃烧模型是合理的。模拟的瞬态结果显现了钝体后方湍流流动和火焰结构。将大涡模拟数据统计得到的反应率系数-浓度关联量的分布规律,与代数二阶矩RANS(ASOM-RANS)燃烧模型的模拟值进行对比,结果发现,大涡模拟统计值和ASOM-RANS模型的模拟值很接近,从而证明了湍流燃烧代数二阶矩RANS模型的合理性。     

两种亚网格燃烧模型的旋流扩散燃烧大涡模拟

用二阶矩亚网格（SOM—SGS）燃烧模型和文献中的涡旋破碎亚网格（EBU—SGS）燃烧模型，对甲烷一空气旋流扩散燃烧进行了大涡模拟，将二者得到的LES统计平均温度分布和实验结果以及用二阶矩燃烧模型的统观模拟（RANS—SOM）结果比较，表明LES—SOM和RANS—SOM的模拟结果都和实验符合较好，而LES—EBU的模拟结果和实验不符合，在不同区域内高估或者低估了燃烧温度。其原因是由于EBU模型不能有效地考虑有限反应动力学的作用。LES—SOM模拟的瞬态结果显示了旋流扩散火焰的湍流大涡结构不同于射流火焰的特点。     

环形燃烧室两相喷雾燃烧的大涡模拟

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环形燃烧室火焰筒气液两相紊流瞬态反应流进行数值模拟.采用椭圆偏微分方程生成三维贴体网格,计算中所采用的数学度模型有:k方程亚网格尺度模型估算亚网格紊流粘性;亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率;热通量辐射模型估算辐射换热.并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解,液相采用随机离散模型(Stachasttc Separated Flow,简称SSF),在拉格朗日坐标系下追踪各油珠群沿各自轨道运动、质量损失及能量变化.通过计算结果与实验数据相比较,表明在三维贴体坐标系下对燃烧室火焰筒两相紊流油雾燃烧流场进行大涡模拟,采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法能反映两相紊流化学反应流流动及实际燃烧过程.     

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.      

湍流预混燃烧逆梯度输运分布的数值研究

为了研究湍流预混火焰中逆梯度输运现象的发展、空间分布规律和相关流场控制因素,基于湍流火焰封闭模型(Turbulent Flame Closure,TFC)机理进行准一维分析,得出了当地标量通量的逆梯度输运分量随预混燃烧反应进度变量的关系。通过Moreau燃烧室模型的数值模拟,验证了准一维分析结果的适用性。在此基础上,通过多工况计算,对比研究了密度比对流场逆梯度输运分布的影响。结果表明:预混燃烧流场中标量通量的逆梯度输运现象总发生在火焰中更靠近未燃混合物一侧;增大密度比,流场逆梯度输运特性增强且其区域向反应物侧靠拢。     

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.     

不同湍流预混燃烧模型在本生灯火焰中的比较

湍流预混燃烧的大涡模拟数值计算近来受到很大的关注,为了进一步发展湍流预混燃烧模型,利用正在发展的湍流预混燃烧模型等值面集合的G函数方法、层流预混火焰生成流型的化学热力学建表FGM方法、G函数/FGM耦合方法三种燃烧模型,对甲烷/空气湍流本生灯火焰进行了大涡模拟计算,并对上述燃烧模型进行了比较。大涡模拟结果表明,G函数方法能够较为准确捕捉火焰的传播特性,FGM方法能够捕捉到火焰和湍流的相互作用,但无法准确预测火焰的传播特性。而耦合的方法既可以捕捉火焰的传播特性,又能够捕捉到火焰和湍流的相互作用。     

基于曲线坐标系浸没边界方法的折流燃烧室模拟

航空发动机折流燃烧室几何结构复杂,其高保真数值模拟需要高效的网格与边界条件处理方法。采用曲线坐标系隐式浸没边界方法结合大涡模拟-概率密度函数输运方程湍流燃烧模型开发自研软件,并实现WP11中折流燃烧室的高保真模拟。流动模拟中准确解析了该燃烧室中的三股主要气流,且三股气流分别约占进口流量的75%,12.5%和12.5%。两相燃烧模拟中针对拉格朗日框架下的液滴运动和欧拉框架下的湍流燃烧采用不同网格标记,模拟得到的出口径向温度分布规律与实验一致,平均相对误差为17.95%,表明基于本方法开发的自研软件能准确模拟折流燃烧室中的两相湍流燃烧现象。     

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。     

水蒸气对非预混燃烧室NO_x排放数值模拟研究

为研究水蒸气的混入对实际工作条件下的涡轮发动机燃烧室流场及NOx排放分布影响,采用Laminar flamelet燃烧模型对不同水蒸气含量下的煤油燃烧进行三维数值模拟。湍流及燃烧模型采用DLR-A湍流非预混射流火焰模型实验进行校验。燃烧室的计算结果表明,水蒸气的混入会减少燃烧室高温火焰燃烧区的尺寸和温度,流场的构型变化不大。通过OH基的组分分布及含量变化分析可知,在本文计算参数范围内,水蒸气会促使燃烧反应向下游移动。在起飞工作条件下,水蒸气进入燃烧室时其组分稀释及热沉为主要作用,化学反应的促进燃烧放热相对较小。当水蒸气的质量分数达到15%时,可减少约95%的NOx排放量。     

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.