概率盒全局灵敏度和活跃子空间跨层降维

航空航天仿真系统中的不确定性通常是多源的、混合的,并且系统参数的维数众多。针对高维混合不确定性量化问题,提出一种结合概率盒全局灵敏度和活跃子空间的跨层降维方法。在随机和认知不确定的概率盒表征基础上,使用不确定性缩减法分析参数的全局灵敏度继而进行参数筛选;基于输出梯度协方差矩阵的特征分解,使用活跃子空间法对参数进行降维;构造出一种概率盒表征下的参数筛选和跨层降维方法。最后以NASA多学科不确定性量化挑战问题为例,通过概率盒全局灵敏度分析进行第1层次的参数筛选,原有的21维输入参数减为13维;随后采用活跃子空间进行第2层次的参数降维,维数进一步降至一维。研究结果表明,所提出的方法能够对混合不确定性参数进行灵敏度排序,还能够有效降低模型输入参数的维度,为高维系统混合不确定性量化和进一步的优化工作奠定了基础。     

碳氢燃气超声速剪切流动燃烧数值模拟

数值模拟碳氢富燃燃气与空气二维超声速剪切流动的湍流燃烧.NND对流项差分格式高精度捕捉激波, B-L和普朗特混合长度模型模拟湍流粘性系数, Arrhenius反应动力学公式计算化学反应速率, 模拟非平衡态燃烧.计算的壁面压力值较好地符合了实验值.分析了剪切流驻焰稳定的波系结构, 从预测的流动参数和组分浓度分布判断燃烧状况的好坏, 从而为改善优化燃烧室结构提供工程参考.      

甲烷/空气预混火焰回火特性数值模拟

为了获得有效的预测回火极限的数值模拟方法,对甲烷/空气预混火焰进行了数值模拟。采用不同的反应机理和燃烧模型,针对一个二维轴对称的本生灯,分别对甲烷/空气预混层流火焰和湍流火焰进行了数值模拟,预测了甲烷/空气预混火焰的回火特性,并与Johnson的实验结果进行了对比。对层流火焰的模拟结果表明,采用Smooke-46反应机理能够较为准确地预测层流回火极限。而单步化学反应所预测的层流回火极限要比实验值低得多,这说明单步化学反应下的火焰更难以发生回火。对湍流火焰的模拟结果表明,涡耗散概念模型比有限速率模型更准确地预测了湍流回火极限。有限速率模型所预测的回火极限略高于实验值。     

乙烯燃烧反应机理建模及其在高速湍流燃烧仿真中的应用（英文）

为了得到一个适用于高速湍流燃烧数值模拟的乙烯燃烧机理,开展了乙烯燃烧详细机理构建、简化及高速湍流燃烧数值模拟工作。基于分层方法并考虑压强相关反应,首先构建了乙烯的燃烧详细反应机理。通过采用直接关系图法(DRG)以及准稳态假设法(QSSA)的简化方法,从详细反应机理系统简化得到了24物种的简化机理。由简化机理计算的点火延迟时间跟详细机理相比最大误差17%,平均误差小于7%。将简化机理耦合到商业软件Fluent,开展了覆盖贫油和富油条件下凹槽构型燃烧室的三维数值模拟。数值模拟结果表明,所构建的简化机理能够准确地预测乙烯燃烧释热,可以很好地再现不同当量比条件下静压曲线,平均误差小于10%。该简化机理具有较高的化学保真度,可以应用于推进系统中的高速湍流燃烧模拟。     

环形模型燃烧室内不同Karlovitz数旋流预混火焰的直接数值模拟

为了更好地理解航空发动机燃烧室内的旋流预混燃烧现象和机理,基于相关特征参数采用直接数值模拟方法研究了模型燃烧室内的旋流预混火焰。其中计算模型简化自环形燃烧室,包含两个相邻的贫燃旋流,参数尽可能接近实际航空发动机燃烧室工况。模拟中,采用了简化的煤油反应机理,设计了不同Karlovitz数(Ka)对应高低两种负荷。结果表明,在高压下火焰面极薄,小尺度湍流扰动对火焰面影响显著,燃烧室内湍流预混火焰位于薄反应区。在下游由于相邻旋流的作用而产生较为破碎的火焰结构,这一现象在高Ka时尤为明显。雷诺数Re和Ka较大时,旋流剪切作用所导致的下游中心回流效应增强,剪切层中的湍流扰动效应也更强。航空发动机燃烧室内主要反应物和生成物基本满足梯度输运关系,且在Ka较大时,梯度输运效应更显著。然而对于中间产物,梯度扩散假设在火焰面附近不成立,这对基于梯度扩散假设的相关计算模型提出了挑战。     

三维效应对超声速湍流燃烧流动大涡模拟的影响研究

本文对空间发展Mac=0.61超声速湍流燃烧混合层流动开展了二维/三维大涡模拟（LES）研究,探讨了三维效应在超声速湍流燃烧流动的大涡模拟中的重要性。研究发现,相较于三维LES计算结果,二维LES大幅低估了超声速湍流燃烧混合层的增长率,湍动能的二维LES结果显著偏大而雷诺剪切应力显著偏小。因而,二维LES难以准确模拟超声速湍流燃烧混合层的增长率和湍流脉动特性。二维流动中漩涡拉伸、压缩机制失效,致使二维LES的漩涡结构与三维LES结果显著不同：二维LES计算所得流场呈现清晰的旋涡生成、发展、并对和破碎等演化现象,而三维LES的湍流结构呈不规则状。湍流与燃烧间存在强烈的耦合相互作用,由于二维LES难以准确模拟湍流特性,燃烧场进而在二维LES下呈现一系列特殊的、不同于真实燃烧流动情况的数值现象。漩涡运动带动燃料和氧化剂掺混,掺混界面为火焰前锋。由于漩涡结构不同,致使二维LES的火焰前锋面面积不同于三维LES结果,导致其难以获得准确的燃料效率,最终导致二维LES计算获得的统计平均火焰温度显著偏低。     

输运概率密度函数中的小尺度标量混合建模

输运概率密度函数方法能精确地求解湍流燃烧中的有限化学反应速率,但小尺度上分子扩散引起的组分变化则需要通过标量小尺度混合模型来模拟。论文综述了当前湍流预混燃烧中混合模型研究的最新进展。首先介绍了现有标量混合模型在不同预混燃烧模式下的表现:对于火焰面燃烧模式,保持组分空间的临近性对于标量混合模型非常重要,标量混合频率受火焰结构影响显著;对于破碎反应区模式,组分空间保持临近性的重要性有所减弱,标量混合频率由湍流主导。接着介绍了最新基于直接数值模拟数据的标量小尺度混合机制和建模研究,包括湍流预混燃烧中反应标量小尺度耗散机制、反应标量混合时间尺度在不同燃烧模式下的演化规律、依据线性混合思路构建的标量混合时间尺度模型。针对不同湍流预混燃烧模式的模型验证表明:相比于已有湍流混合时间尺度模型,新模型显著提升了对湍流预混火焰中的标量耗散率和燃烧特性的预测精度。最后介绍了大涡模拟/输运概率密度函数方法在近极限湍流预混火焰,如甲烷预混值班火焰和湍流对冲预混火焰中的应用,验证了其对贫燃、高湍流度条件下的湍流-化学反应相互作用及局部熄火/再燃现象的预测能力。     

基于LES的非稳态火焰面/反应进度变量方法模拟部分预混抬举火焰

为了描述部分预混燃烧的火焰机制,捕捉燃烧现象中的非稳态效应,采用大涡模拟与非稳态火焰面/反应进度变量方法相结合来模拟湍流部分预混燃烧抬举火焰,并将计算结果与实验测量值进行了对比研究。结果表明基于大涡模拟的非稳态火焰面/反应进度变量方法捕捉到了湍流部分预混燃烧中的火焰抬举现象,计算得到的火焰抬举高度大致为35,和实验测量值完全一致。同时采用各热力学参数在混合分数空间的分布来研究部分预混抬燃烧中具有非稳态燃烧特性的局部熄火现象。各不同截面上的燃烧热力学参数与实验测量值吻合较好,说明采用该方法能比较真实地反映湍流部分预混燃烧的火焰机制。     

超声速燃烧数值模拟中复杂化学反应的建模方法

高保真度的数值模拟有助于研究超声速条件下点火、熄火、火焰传播以及稳焰等关键物理-化学过程,推动对冲压发动机中复杂燃烧现象的准确理解与可靠预测。然而,实际发动机中碳氢燃料燃烧导致的广泛时空尺度对湍流燃烧的建模带来了极大的挑战。为此,必须首先解决超声速燃烧数值模拟中复杂化学反应的高保真建模问题。本文对超声速燃烧模拟中湍流-化学反应相互作用模型、机理简化以及求解加速方法的研究现状进行了总结。以典型燃料燃烧建模为主线,介绍了复杂化学反应的高保真建模方法以及不同化学反应机理在超燃模拟中的适用性及其影响。以反应机理三层次保真度评估体系为基础,进一步明确了简化机理在超燃数值模拟中的优势与不足,阐明了动态自适应化学方法在研究超声速条件下细致燃烧过程的必要性和可行性。     

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。     

激光瑞利散射法在火焰温度测量中的应用

近年来为了进行燃烧诊断，发展了一些成功的激光测试技术，由于瑞利散射法（ＬＲＳ）具有许多很有价值的特点，因此在紊流燃烧研究中愈来愈引起人们的注意。通过证实瑞利散射可以用来测量火焰温度。本文阐述了瑞利散射原理、应用中问题和火焰温度的实际测量。     

基于稀疏网格配置方法的超燃冲压发动机高维不确定性量化

为了定量地研究随机不确定性对超燃冲压发动机性能评估及优化设计可能带来的影响及其规律特征,基于高斯过程描述发动机工作状态及来流环境等控制参数随机误差,建立由自由来流条件、进气道压缩系统以及燃烧加热等构成的发动机输入边界不确定性表征.耦合全局敏感度分析、稀疏网格技术、概率配置方法及等压燃烧热力学分析模型,提出了面向超燃冲压...     

LES of the Sandia flame series D-F using the Eulerian stochastic field method coupled with tabulated chemistry

In this paper, the Eulerian Stochastic Field (ESF) model in the Transported Probability Density Function (TPDF) class model is combined with the Flamelet Generated Manifolds (FGM) model. This method solves the joint probability density function transport equation by ESF method that considers the interaction mechanism between flame and turbulence with high precision. At the same time, by making use of the advantage of the FGM model, this model is able to incorporate the detailed chemical reaction mechanism (GRI 3.0) with acceptable computational cost. The new model has been implemented in the open source CFD suite-OpenFOAM. Validation of the model has been carried out by simulating the Sandia flame series (three turbulent piloted methane jet flames) issued by the National Laboratory of the United States. The accuracy and advancement of the ESF/FGM turbulent combustion model are verified by comparing the LES results of the new model with the rich experimental data as well as the RANS results. The results demonstrate that the model has a strong ability in capturing combustion phenomena such as extinction and re-ignition in turbulent flame, which is essential in the accurate prediction of the combustion process in real combustion devices, for example, aircraft engines.     

超声速混合层燃烧研究进展

超声速混合层燃烧研究是解决超声速燃烧难点的有效途径,对于超燃冲压发动机的发展具有重要意义。这一领域在过去20多年中开展了大量工作,需要对此进行总结。由于无反应超声速混合层流动特性研究是超声速混合层燃烧研究的基础,因此,首先综述了该流动特性,包括瞬时流场结构和时均统计特性;其次,讨论了着火特性,包括着火距离和着火过程;再次,综述了火焰特性,特别是火焰结构;然后,关注了熄火特性;接着,对释热和可压缩性影响进行了总结;最后,给出了燃烧不稳定性的研究进展。通过综述可知,超声速混合层燃烧研究仍需开展大量工作。在着火特性、火焰特性和熄火特性方面,后续研究可重点采用湍流数值模拟和详细反应机理,研究着火过程、火焰传播过程和熄火过程,以及流动参数、热力学参数、组分参数和外界因素对着火距离、火焰结构和熄火位置的影响;在释热和可压缩性影响方面,后续研究可采用高精度数值或实验方法,重点研究高释热和高可压缩性条件下有反应超声速混合层的瞬变特性和统计特性;燃烧不稳定性方面,后续研究可采用高精度数值或实验方法,重点研究超声速混合层燃烧不稳定性产生的普遍准则及其内在机制。     

超音速燃烧二元流场的数值模拟

由二元超音速燃烧流场垂直喷射Ｈ２的数值模拟计算，描述了缝隙喷嘴附近氧气与空气的混合和燃烧过程，使用两步化学反应，ＭａｃＣｏｒｍａｒｋ显式时间分裂法和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ修正的代数湍流模型，计算超音速燃烧流场，得出了流线，静压，静温，Ｈ２和Ｈ２Ｏ浓度等值线图，反映了缝隙喷嘴附近回流区的大小，自动着火点的位置及火焰向主流的传播现象。     

Advanced optical diagnostics applied to dynamic flames and turbulent jets

Experimental studies were conducted to obtain single shot measurements of temperature and concentration in a variety of dynamic flames. The structure of a low speed hydrogen-air buoyant flame is investigated to characterize vortex-flame interactions. In this flame, the temperature and the molar fraction of nitric oxide (NO), atomic oxygen (O), atomic hydrogen (H) and hydroxyl (OH) have been obtained using a combination of coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS), laser-induced fluorescence (LIF) and degenerate four-wave mixing (DFWM). Good agreement was found between the simulated and the measured data. A monodispersed droplet stream flame was investigated to study the diphasic combustion of ethanol. In this case, the temperature, nitric oxide (NO) and fuel concentration have been measured. Finally, two-dimensional maps of OH and acetone are recorded using planar LIF (PLIF). Application of this technique to a supersonic H₂/air flame and to a subsonic ethylene/air reacting jet mainly illustrates the turbulent character of combustion and provides a deeper insight into the chemical mechanisms of these flows. The present paper emphasizes the importance of applying quantitative and instantaneous optical techniques to different combustion and turbulent media.     

合成气扩散燃烧的OH-PLIF测量

为了解中低热值合成气在燃气轮机燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)法,对模型燃烧室内CH4和具有不同C-H比的合成气旋流扩散火焰开展实验研究.实验结果表明,CH4与合成气火焰呈现出截然不同的火焰形状,瞬态OH-PLIF图像揭示了它们具有湍流火焰的共同特征,且火焰都稳定在喷嘴出口位置.相比之下,CH4燃烧...     

椭圆型条件矩封闭模型在湍流扩散火焰中的应用

使用考虑分子扩散与湍流扩散的椭圆型CMC模型对钝体绕流扩散火焰进行了数值模拟计算,计算的工况包括CH₄/H₂、CO/H₂和CH₃OH等燃料在空气中的燃烧。在数值计算中使用了k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,并将计算结果与实验数据进行了对比,讨论了计算结果与实验数据之间偏差产生的原因,还分析了条件平均变量的空间变化。结果表明,条件平均温度、OH、CO和NO等组分的质量分数的计算结果与实验数据有着很好的一致性,说明椭圆型CMC模型是一种能有效地预测湍流非预混火焰中组分浓度和温度的计算方法。