微型涡喷发动机燃烧室数值模拟

微型涡轮喷气发动机(Micro-turbine engine)燃烧室具有传热损失大及燃烧驻留时间短的特点。为了给微型燃烧室定型提供数据参考,对设计的微型环形燃烧室中的稳态燃烧过程进行数值模拟。计算入口边界参数采用等熵数值计算结果,喷雾性能参数通过试验获得,考虑了湍流化学反应、热辐射、液滴的蒸发及二次雾化等情况,得到燃烧室稳态工作时的速度场、温度场及浓度分布,计算结果可以较为准确地反映燃烧室的实际燃烧情况。计算结果表明,燃烧室设计合理,燃料可以充分燃烧,各项性能参数基本符合设计要求,能够为燃烧室的进一步优化设计提供改进依据。     

头部旋涡蒸发管式直径6cm环形燃烧室设计和试验

为提高微型燃烧室性能,提出头部旋涡蒸发管式微型环形燃烧室设计方案.在常温常压下开展了燃烧室冷态和热态性能试验,得到了燃烧室的阻力特性、贫油熄火特性和燃烧效率特性.结果表明:微型燃烧室未进入模化状态;头部旋涡结构对火焰的稳定性能相比直流式环形燃烧室有较大改善,负载参数达到较高水平;燃烧效率达到0.8,燃油驻留时间短是导致燃烧效率偏低的主要因素.头部旋涡结构用于微型燃烧室中显著提高了燃烧室的贫油熄火特性.      

冲压发动机驻涡燃烧室模型方案数值模拟研究

为探索适用于高推重比发动机的高性能燃烧室,在一种冲压发动机特定结构应用背景条件下,设计了一种驻涡燃烧室（Trapped-Vortex Combustor,简称TVC）技术应用模型方案,并对其进行了冷态流场数值模拟,对包括驻涡区长宽比、驻涡区长度、驻涡区进口导流结构形式、主流钝体与联焰板的结构形式与参数的影响进行了分析,探索TVC燃烧室方案在冲压发动机上的应用可行性。从三维冷态流场数值模拟结果来看,燃烧室模型方案内部形成了设计的涡系结构,能够实现初步的组织燃烧。通过不同设计参数的计算模拟,摸索出驻涡区高度、驻涡区宽高比等参数对燃烧室内部流场影响的规律。研究结果表明驻涡区宽高比控制在1.0左右驻涡区涡系结构最好,有利于组织燃烧。     

Performance test of micro turbojet engine＇s evaporator and numerical simulation of the combustor

根据40daN级低成本弹用微型涡喷发动机燃烧室的性能要求,设计了一种蒸发管供油的环形燃烧室.文章先设计实验对蒸发管的雾化性能和蒸发率进行测试,再参照测试结果,运用计算流体动力学（CFD）方法对微型涡喷燃烧室进行数值模拟.计算结果表明,燃烧室设计合理,各项性能均达到了设计点要求.     

微型涡喷发动机蒸发管性能测燃烧室数值模拟

根据40daN级低成本弹用微型涡喷发动机燃烧室的性能要求,设计了一种蒸发管供油的环形燃烧室.文章先设计实验对蒸发管的雾化性能和蒸发率进行测试,再参照测试结果,运用计算流体动力学(CFD)方法对微型涡喷燃烧室进行数值模拟.计算结果表明,燃烧室设计合理,各项性能均达到了设计点要求.      

基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高 精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备 试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡 模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高 温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机 燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种 经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。     

冲压发动机突扩燃烧室内标量输运的大涡模拟

为弄清突扩燃烧室内标量输运机理，采用大涡模拟方法数值模拟了几何结构简化的冲压发动机突扩燃烧室内湍流流动中燃料浓度以及温度等标量的扩散和输运过程。研究了大尺度涡结构随时间在空间的演化过程，给出了燃料浓度和温度场的瞬时空间分布。研究表明燃料的扩散特征直接决定于大涡结构，大涡结构也强烈的影响温度的输运过程。该研究结果为冲压发动机突扩燃烧室设计和改进燃烧状况提供了细观依据。     

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.     

数值研究环形回流燃烧室紊流燃烧流场

在任意曲线坐标系下,采用四步反应机理数值研究回流环形燃烧室内燃烧过程中间及最终产物的生成.采用重整化群k-ε模型、涡团耗散模型及离散坐标法分别模拟紊流黏性、燃烧反应速率及辐射传热;采用随机颗粒轨道模型描述油珠温度、运动及其尺寸变化等过程;采用PISO(pressure implicits plit-oper-ator)算法对离散方程进行求解;在非交错网格体系下,预估该燃烧室三维两相燃烧流场以及燃烧产物分布.计算与实验结果较为相符,表明本文的数值方法及模型可靠,可为环形回流燃烧室的优化设计及污染物减排提供技术支持.      

某型弹用涡喷发动机高密度燃油应用的数值分析

文章基于数值模拟方法,对JP-10高密度燃油在某型弹用涡喷发动机燃烧室中的燃烧过程进行了研究,并与原燃油RP-3燃烧的数值模拟结果进行了对比。结果表明,在与RP-3燃烧相同的空气进口质量流量情况下,JP-10在该涡喷发动机内能正常燃烧,且供油时间比之RP-3要增加20%左右。使用JP-10,火焰筒内部高温区范围有所减少,降低了燃烧室结构的热负荷。保证燃油流量相同条件下使用JP-10,火焰筒出口处温度分布系数比采用RP-3的要小。     

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。     

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。     

微型涡喷发动机燃烧室的设计研究

为某微型涡喷发动机设计了一个蒸发管环形燃烧室.根据发动机对燃烧室的性能要求,设计了燃烧室的主要部件,对燃烧室的流量分配及流程参数进行了数值计算.参照发动机的总体结构,设计了燃烧室的试验器,对燃烧室进行了一定的性能试验.结果表明,所设计的燃烧室在结构方案、主要部件和总体性能方面基本满足设计要求.      

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.      

微型涡轮喷气发动机风车起动特性研究

为研究微小型涡轮喷气发动机风车起动的特性,以某微型涡轮喷气发动机为原型,通过数值模拟和试验研究相结合的方法,研究了其风车起动过程的各种特性。通过试验研究了丙烷气点火时间和丙烷气压对微型涡喷发动机转速以及燃烧室温度的影响规律,以在最短时间内使得微型涡喷发动机转速和燃烧室温度满足可供油燃烧的条件,并确定所需要的丙烷气最小气量。结果表明：在本试验条件下发动机从起动到慢车状态过程中,以先快后慢的供油规律起动加速时间最短约为82 s;发动机从慢车到80%全转速状态过程中,实现相对最短加速时间的供油规律可分为2段,前段供油斜率较大为0.79,后段供油斜率较小为0.14。对其它结构形式和起动过程类似的微小型涡轮喷气发动机有一定借鉴作用。     

燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟

采用数值模拟方法对燃气轮机环形燃烧室燃烧天然气、中低热值燃料进行燃烧性能的数值分析。根据该燃机的结构特点建立了包括扩压器、机匣等部件计算几何模型;计算中采用SIM-PLE算法,可实现k-ε双方程湍流模型,六通量辐射模型、非绝热概率密度函数（PDF）燃烧模型及热力型NO模型对其进行燃烧数值模拟,分析了燃气轮机环形燃烧室燃烧3种燃料性能。计算结果表明：该燃机燃烧天然气、中热值燃料燃烧性能均能达到设计状态,而燃烧低热值燃料燃烧室出口温度较低,表明燃烧过程的数值模拟可为进一步优化燃烧室的结构,改善流场结构提供有用的设计依据,适合于工程应用。     

侧面突扩燃烧室冷态流场可视化研究

燃烧室流场中旋涡的不是稳定是造成整体式压式发动机侧面扩燃烧室燃烧振荡的重要原因。在透明矩形侧面突扩燃烧室模型上进行了水流模拟显示实验。显示出了燃烧室流场中的振荡涡系和稳定涡系。实验发现：燃烧室头部旋涡非常稳定；进口射流剪切层存在“马蹄涡”的周期性脱落；射流在燃烧室通道内卷绕形成涡强较大的二次流螺旋柱状涡对，涡对相撞又使螺旋涡失稳、振荡和破碎。旋涡不稳定性是侧面突扩燃烧室燃烧振荡的流体力学原因，分流     

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.      

同轴突扩燃烧室低频不稳定燃烧数值模拟

采用大涡模拟耦合预混燃烧方法,建立了液体冲压发动机不稳定燃烧计算模型。对模型发动机进行了不稳定燃烧数值研究,计算得到的发动机内压强振荡和火焰传播过程与文献中的实验数据吻合较好。结果分析表明,突扩构形发动机内大尺度的旋涡结构支配了燃烧室中的火焰传播过程,旋涡运动耦合非稳态的燃烧热释放是激发燃烧室低频压强振荡的重要原因。     

燃气轮机环形燃烧室燃烧流动的数值研究

由于燃气轮机燃烧室内复杂的物理化学变化，利用数学模拟的方法来研究，对减小燃烧室研制费用，缩短研制周期具有重要意义。对QD128型燃气轮机燃烧室燃烧天然气进行了数值模拟，在模拟过程中采用了雷诺应力模型、EBU—Arrheniue湍流燃烧模型和六通量辐射模型来描述其燃烧流动过程，运用FLUENT软件求解了三维流场和温场分布。计算结果能够很好地反映环形燃烧室燃烧流动特点，对预测环形燃烧室内的燃烧流动有一定参考价值。