Hyshot超燃冲压发动机的CFD数值模拟

以Hyshot超燃冲压发动机试验为研究对象,分别对冷流和燃烧工况进行了CFD数值模拟.冷流模拟计算得到的壁面压力与试验结果吻合良好,且数值计算压力分布对采用的湍流流动模型不敏感;但是采用不同的湍流流动模型计算的湍流参数(湍动能和耗散率)差别很大,会对氢气燃料与气流的掺混产生重要影响,进而影响燃烧模拟结果.采用SST(shear stress transport)k-ω湍流流动模型和EDM(eddy dissipation model)湍流燃烧模型得到的模拟结果与试验结果基本吻合,但是计算压力峰值略靠后.对8个不同氢气燃料喷射角度的工况进行数值模拟结果表明喷射角度为99°和114°时燃料和空气混合最好、燃烧效率可达到最高.     

湍流燃烧的动态自适应直接数值模拟

为了能以较低的计算成本分辨多尺度的湍流燃烧过程,发展了基于动态自适应网格技术的湍流燃烧直接数值模拟方法。在氢气/空气层流预混火焰传播的模拟中,准确计算出了火焰传播速度,表明该方法具有直接求解火焰以及精确捕捉火焰传播过程的能力。在衰减的各向同性均匀湍流的模拟中,借助FFT分析获得了合理的湍动能谱线随湍动能衰减的变化规律,表明该方法能够直接求解湍流。由于在实际应用中,点火发生的位置与低温机理的速率相关,因此在氢气/空气湍流预混火焰中研究了湍流对低温机理的影响,发现湍流输运以及湍流涡团间强烈的拉伸和剪切对低温机理有明显的加速作用,能显著增强放热。     

超声速横侧射流燃烧中可压缩性影响的数值研究

为了研究湍流的可压缩性效应对超声速燃烧的影响,对复杂的超声速横侧射流氢气/空气燃烧流场进行了数值模拟。采用修正的k-ε湍流模型(包括膨胀可压缩性和激波不稳定性两部分修正),考虑H2/Air详细化学反应机理(GRI-Mech2.11机理,10组分,28基元反应)。结果表明,可压缩性修正k-ε湍流模型能够预测复杂的超声速横侧射流流场结构。可压缩性使流体分离增强,湍流混合受到抑制,从而显著影响了超声速燃烧过程,数值模拟中需要考虑可压缩性效应的影响。     

超声速燃烧数值模拟中的湍流与化学反应相互作用模型

高精度数值模拟有助于理解超声速湍流燃烧中湍流与化学反应的相互作用,可为发动机燃烧室等工程应用设计提供可靠的预测模型。除直接数值模拟外,目前在湍流燃烧应用中使用的大涡模拟和雷诺平均Navier-Stokes模拟均需要借助模型模化发生在湍流小尺度上的流动与化学反应过程对湍流大尺度运动的影响。现有的湍流与化学反应相互作用模型大致可分为:火焰面类模型和概率密度函数类模型,2类模型在不同的应用中各自具有优势和局限性。此外,现有模型大都基于低马赫数燃烧,而超声速燃烧中通常会伴随快速混合、局部熄火和再着火以及激波等复杂过程,这为发展其中的湍流与化学反应相互作用模型提出了更多的挑战。     

应用修正的k-ε模型研究超声速H2/Air燃烧

为了研究超声速燃烧中流体可压缩性的影响,对标准k-ε湍流模型进行可压缩性修正(包括结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正两部分)。分别应用标准k-ε模型、修正的k-ε模型和雷诺应力模型(RSM),考虑氢气/空气详细化学反应机理(GR I-M ech 2.11机理,10组分,28基元反应),数值模拟有壁面限制的超声速混合层冷态及热态流场。结果表明:壁面和燃烧对湍流影响都很大;修正模型对冷态以及燃烧场的预测结果优于其它两个;修正模型预测的混合层厚度更薄,燃烧区域更窄,与实验结果吻合地更好。     

脉冲燃烧风洞中空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定影响研究

采用试验与数值模拟方法研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响。发动机入口气流总温、总压和马赫数分别为1100K,1.0MPa和2.0。空气节流位置距离发动机入口625mm,空气节流流量为入口发动机空气流量的27.2%。多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机燃烧流场结构和火焰传播规律的诊断,包括纹影、阴影、差分干涉、自发光照相和OH-PLIF。首先考察了有、无空气节流时超燃冲压发动机冷流流场的结构,结果显示:在实施空气节流后,流场内产生了激波串结构。激波串促使流场的静温和静压升高,马赫数降低。同时激波串与边界层相互作用,导致了边界层分离,促进了燃料与空气的高效混合,实现了煤油的可靠点火。其次考察了先锋氢气燃烧流场的火焰传播规律与稳定形态,结果表明:当先锋氢气当量比为0.3时,燃烧流场振荡;当先锋氢气当量比为0.1时,燃烧流场稳定。最后研究了空气节流对煤油燃料超燃冲压发动机火焰稳定的影响,结果表明:不实施空气节流时,液态室温煤油吹熄了先锋火焰,煤油点火失败;实施空气节流后,煤油成功点火,当先锋氢气和空气节流撤除后,煤油仍然保持稳定的燃烧。     

AECSC-J ASMIN湍流燃烧仿真软件研发和检验

航空发动机燃烧室几何结构复杂,湍流和化学反应存在强烈非线性相互作用,需要对流动和燃烧及其相互作用进行高精度高时空分辨率的刻画,目前燃烧室湍流燃烧数值模拟仍然是高难度的瓶颈问题之一。介绍了由北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心、北京应用物理与计算数学研究所和中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心联合研发的AECSC-JASMIN软件主要框架、算法以及针对该软件的算例检验。在Sandia射流火焰、支板火焰和单头部燃烧室检验算例中,对比实验数据,射流和支板火焰预测结果与实验值一致;支板算例的平均相对误差在15%之内;单头部燃烧室模拟结果符合物理实际,总压损失与实验值基本吻合。说明AECSC-JASMIN软件可用于复杂结构高分辨率高精度湍流燃烧数值模拟。     

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。     

加力燃烧室单相燃烧模型及其应用

提出了描述航空发动机加力燃烧室内气相湍流燃烧的模型方程，并考虑了加力喷油效应。通过结合双时间尺度ｋ－ε湍流模型、热通量高温辐射模型及ＳＩＭＰＬＥ方法，对实际运行的加力燃烧室内的湍流燃烧进行了数值模拟，得到了数值流场图及温度、组分浓度的等值线分布，给出了燃烧效率和总压恢复系数，数值解证明了湍流燃烧模型的可解性与合理性。     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。     

超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景,采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,采用高精度WENO格式进行空间离散,并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致,来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构,并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析,揭示了流场结构特征及其时空演化规律,并获得了流场密度脉动特性。      

Numerical study of test gas vitiation effects on hydrogen-fueled scramjet combustion

The effects of major vitiated species (H₂O and CO₂) and minor vitiated species (H,OH and O radicals) produced by combustion air preheater on ignition and combustion of hydrogen-fueled scramjet were numerically investigated.Firstly,kinetic analyses with CHEMKIN SENKIN code were conducted to evaluate the effects of contamination on the ignition delay times of hydrogen fuel over a range of temperature and pressure variations.Then numerical simulation of a three-dimensional reacting flow in hydrogen-fueled scramjet combustor was performed.The two-equation shear stress transport κ-ω turbulence model was used for modeling turbulence and 33 reactions finite-rate chemistry was used for modeling the H₂/air kinetics.The results show that: free radical species such as H,O,and OH may significantly promote the ignition process of hydrogen-air at relatively low initial temperature and pressure.However,H₂O and CO₂ have inhibition effects on the ignition process.Under the same conditions,H₂O has more effective inhibition effects than CO₂.The temperature and pressure rise due to combustion are lower in the air vitiated with H₂O and CO₂ because of their higher heat capacities and more dissociation.Combustion efficiency and thrust calculated for vitiated air case are lower than clean air case.These results indicate the importance of accounting for vitiation effects when extrapolating performance data from ground test to flight demonstration.      

壁面湍流模型对湍流分离流动数值模拟的影响

本文用三种近壁湍流模型计算了二个二维的湍流分离流动：单包流动和多包流动。结果表明：二层模型和低Reynolds数模型具有类似的特性。它们基本上给出合理的分离流动结构。壁函数的方法由于对数律的假定基本上不适合于计算湍流的分离流动。     

后台阶喷氢加喷空气超音速燃烧数值模拟

为了提高带有后向台阶的超音速燃烧室的燃烧效率,提出了一种在氢气喷嘴后加一个空气喷嘴的方法,并且采用雷诺应力湍流模型和有限速率化学动力学模型对这种方法进行了数值模拟研究。计算结果表明:这种方法可以有效地改善氢气与空气的掺混效率,在计算的工况下使燃烧效率从60%提高到了64%;然而随着横喷空气的静压和马赫数的提高,会使燃烧室的总压恢复系数降低,并会使来流空气在台阶尖角处发生分离,接着会在台阶前的横截面产生激波,激波的位置也随着横喷空气的静压和马赫数的增加而前移。     

基于大涡模拟分析气膜冷却的湍流场

用大涡模拟考察了单孔平板气膜冷却的湍流场,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5.计算结果表明:①气膜孔内的流动分离增加了湍流动能,导致气膜冷却效率的降低,在设计中要尽量避免或减少流动分离;②与射流侧向扩展有关的涡黏性系数在气膜孔两侧存在峰值,而采用各向同性的湍流模型预测气膜冷却时,涡黏性系数的峰值出现在射流与主流的剪切区,因此会高估射流的垂直穿透而低估射流的侧向扩展;③可以用大涡模拟辅助建立各向异性的湍流模型,以便提高湍流模型的预测精度.      

Modelling ignition probability with pairwise mixing-reaction model for flame particle tracking

Reduced order models for ignition analysis can offer insights into ignition processes and facilitate the combustor optimization. In this study, a Pairwise Mixing-Reaction (PMR) model is formulated to model the interaction between the flame particle and the surrounding cell mixture during Lagrangian flame particle tracking. Specifically, the model accounts for the two-way coupling of mass and energy between the flame particle and the surrounding shell layer by modelling the corresponding turbulent mixing, chemical reaction and evaporation process if present. The state of a flame particle, e.g., burnt, hot gas or extinguished, is determined based on particle temperature. This model can properly describe the ignition process with a spark kernel being initiated in a nonflammable region, which is of practical importance in certain turbine engines and has not been rigorously accounted for by the existing models based on the estimation of local Karlovitz number. The model is integrated into an ignition probability analysis platform and is demonstrated for a methane/air bluff-body flame with the flow and fuel/air mixing characteristics being extracted from a non-reacting simulation. The results show that for the spark location being at the extreme fuel-lean outer shear layer of the recirculation zone, PMR can yield ignition events with a significant number of active flame particles. The mechanisms for the survival of the initial flame particles and the entrainment of the survived flame particles into the recirculation zone are analyzed. The results also show that the ignition probability map from PMR agrees well with the experimental observation: a high ignition probability in the shear layer of the recirculation zone near the mean stoichiometric surface, and low ignition probabilities inside the recirculation zone and the top stagnation region of the recirculation zone. The parametric study shows that the predicted shape of the ignition progress factor and ignition probability is in general insensitive to the model parameters and the model is adequate for quantifying the regions with high ignition probabilities.     

用蒙特卡罗法仿真生成三维空间大气紊流场

基于三维紊流场相关函数矩阵用蒙特卡罗法仿真生成三维空间大气紊流场,并用理论证明和紊流场数值检验的方法,证明这样的空间大气紊流场较好地符合所选用的大气紊流模型 (如 Dryden模型),且具有良好的均匀性和各向同性。三维空间大气紊流场可用于飞机飞行仿真,尤其是多架飞机在大气紊流中飞行的仿真 (如空中加油、编队飞行)。     

带有双层壁扩压器的波瓣喷管混合流场的数值计算

采用三维贴体曲线坐标网格,边界网格加密且正交,在整个计算区域进行全场计算。为避免因波瓣造成的网格强烈的非正交引起解的发散,采用了Chen和Kim修正的k-ε湍流模型及同位网格SIMPLC计算方法,对带有双层壁扩压器的波瓣喷管混合流动进行了数值计算和分析。对波瓣及双层壁,采用大粘性的方法解决流固耦合。计算结果表明:在双层壁间有外界冷气流被引射进入,形成了壁面的冷却气流;自波瓣出口截面沿流向产生的环流速度场,强化了主次流的掺混,速度分布渐趋均匀。计算结果与实验数据符合良好,二者在离开波瓣52 mm的混合管内相对主流速度的最大误差为21.65 %。