发动机湍流燃烧多物理耦合建模和仿真进展

航空发动机燃烧室喷雾燃烧包含液滴破碎、雾化、蒸发、掺混、燃烧等多个物理过程，各物理过程相互耦合，产生出预混、 非预混、自着火等多种燃烧模式，不同的燃烧模式表现出的湍流-化学反应相互作用也各不相同，对发展普适的湍流燃烧模型提出了巨大挑战。针对多物理场耦合的湍流燃烧过程进行物理建模成为湍流燃烧建模研究的主要任务之一。此外，航空发动机湍流燃烧研究也面对着工程设计和优化的客观需求，即发展效率和精度兼顾的高效湍流燃烧仿真方法并量化湍流燃烧控制物理机制，为燃烧组织调控提供指导。综合上述内容，从发动机两相喷雾燃烧模式、自适应燃烧建模和主控物理机制分析等方面点评和回顾了近期的基础研究进展，对当前的研究现状做了初步总结。     

不同PDF模型在超燃冲压发动机数值模拟中的应用

湍流与燃烧相互作用对复杂超声速燃烧流场产生影响,基于设定型PDF(ProbabilityDensityFunction)模型对其不同分布模型进行研究。考虑温度和组分联合概率密度函数,采用β-PDF和δ-PDF方法对HF2直连式发动机模型进行模拟,并与该发动机风洞试验数据进行对比。结果表明:无论是定量还是定性分析,两种PDF方法的预测结果与实验结果吻合好,说明湍流与化学反应相互作用不能忽略;采用β分布的算例壁面压强分布结果与实验结果吻合更好,燃烧效率更高,更能够捕捉湍流对于化学反应的影响。     

旋流流动对水冲压发动机性能影响

基于某药柱式水冲压发动机,建立粉末式水冲压发动机模型.利用Fluent软件模拟研究旋流流动对水冲压发动机流动与燃烧反应性能的影响.选择k ε双方程模型作为湍流模型,有限速率/涡耗散模型作为燃烧模型,基于密度隐式耦合求解进行计算.结果表明:添加旋流叶片并增大旋流角度,燃烧室最高燃烧温度、平均燃烧温度、出口速度和比冲均增大.研究证明添加旋流叶片对水冲压发动机流动与燃烧反应性能有很大改进,且旋流角度越大,效果越明显.      

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。     

固体火箭内流场的时均和大涡模拟技术对比研究

分别采用时均RNG湍流模拟和大涡模拟(LES)方法对某型固体火箭发动机内流场进行了瞬态数值模拟研究,建模过程中针对推进剂燃烧以及燃面边界采用了修正壁面通量的方法,并使用了动网格技术。结果表明:大涡模拟技术可以得到发动机内湍流流场中详细拟序结构,时均湍流模拟对于火箭发动机内流场时均量的模拟仍有较好的工程精度。     

双侧进气突扩燃烧室流场数值模拟

采用有限体积法和SIMPLE算法对冲压发动机突扩燃烧室流场进行了数值模拟,湍流模型采用标准二方程湍流模型,燃烧模型采用EDM模型。给出了流场中速度、速度流函数、湍流强度以及温度的分布。分析了流场特征,并与无燃烧状态下的流场进行了比较。     

湍流模型及施密特数对点火位置的影响研究

准确预测燃料和空气湍流混合水平对精确模拟发动机性能至关重要.通过对Burrows&Kurkov氢气顺喷经典算例的数值模拟,研究了湍流模型和湍流关键参数(施密特数)对氢气和空气的混合程度以及点火位置的影响.数值结果表明:湍流模型对点火的位置具有一定的影响,其中Menter SST k-w湍流模型计算结果与实验值总体吻合最好;湍流施密特数严重影响着氢气和空气的混合程度以及燃烧流场的点火位置,其中Sct=0.5能满足大部分超燃冲压发动机燃烧算例的数值模拟.     

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.     

液体火箭发动机燃烧室工作过程仿真软件──CAFILRE的设计与实现

描述了液体火箭发动机燃烧室内喷雾燃烧与流动过程仿真软件CAFILRE(Combus-tion and Flow in Liquid Rocket Engine）的结构和功能。CAFILRE程序是采用模块化方法编制和发展的二维通用软件，具有模拟发动机燃烧室内推进剂雾化过程、液雾蒸发过程、湍流混合与燃烧过程的能力。用此软件可以对发动机内部进行详细的性能分析和参数优化。     

湍流两相燃烧不稳定性分析

采用数值模拟的方法对液体火箭发动机燃烧室内湍流两相流动与燃烧过程进行了分析,同时研究了燃烧室内高频不稳定燃烧现象。气相控制方程用欧拉坐标系下的Navier-Stokes方程组描述,液相控制方程在Lagrangian坐标系下描述,湍流模型采用高雷诺数的k-ε双方程模型,并采用高压蒸发燃烧模型。通过数值模拟分析了当燃烧室处于稳态燃烧时从喷注面到喉部之间两相混合物的变化规律;当发生高频不稳定燃烧时所研究的控制体内混合气体和喷雾的量发生振荡,并且具有相同的频率和半个周期的相位差。     

三维加力燃烧室两相湍流燃烧的数值模拟

本文对涡扇发动机三维加力燃烧室内的两相湍流燃烧过程进行了数值模拟。两相流模型采用双流体模型,湍流模型采用标准 k-ε模型,湍流燃烧采用涡旋破碎 ( EBU)模型,数值方法采用 LEAGAP算法。计算结果定性合理。      

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。     

液氢/液氧火箭发动机喷雾燃烧过程三维数值模拟

用三维湍流Ｎ－Ｓ方程及拟流体模型描述液体火箭发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,两相之间的质量交换采用蒸发模型计算,气相化学反应速率采用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式计算。采用ＳＩＭＰＬＥＲ与ＩＰＳＡ算法求解两相控制方程并对氢氧发动机燃烧流动过程进行了三维数值分析,得到了发动机推力室内燃气参数的详细分布情况。结果表明对氢氧发动机而言,蒸发过程非常快,推进剂混合过程是燃烧过程的决定因素。     

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。     

飞行过载对燃烧室化学反应流场影响

为了研究飞行过载对固体火箭发动机燃烧室化学反应流场影响,以Liang模型模化铝滴燃烧,以有限化学反应速率模型模化湍流燃烧,对过载条件下发动机内流场进行了数值分析,数值结果与试验结果取得了趋势上的一致。研究表明,文中采用的数值计算方法可有效重现发动机热结构故障点;飞行过载改变了流场温度、粒子浓度、化学反应速率等参数分布;过载条件下燃烧室绝热结构表面铝滴积聚及剧烈的化学放热反应是导致其异常烧蚀的原因之一,铝滴局部积聚燃烧会导致温度场畸变;热结构设计必须与流动结构匹配。     

NexGen燃烧器火焰特性和换热特性数值模拟研究

航空发动机防火试验是发动机适航验证的重要组成部分。利用ANSYS软件对NexGen燃烧器建模仿真,选取RNG k-ε湍流模型和PDF燃烧模型,计算得到燃烧器的火焰分布、热流密度分布及温度分布。在此基础上进行平板试件冲击模拟试验,分析冲击火焰特性和冲击换热特性,重点研究了不同燃烧器旋流叶片倾角对试件换热的影响,得到当旋流叶片倾角为45°时平板温度最高、换热最大的结论,相应结果可为发动机防火试验提供指导。     

基于JP-10与RP-3燃烧的数值模拟

基于标准肛￡二方程湍流模型、EDM湍流燃烧模型以及DO辐射模型,对JP-10与RP-3燃料在某型弹用涡喷发动机燃烧室中的燃烧过程分别进行了数值模拟。结果表明,在保持燃料质量流量不变的条件下,采用JP-10替代RP-3后,燃烧室内的温度分布、组分浓度分布变化不大,引起的发动机结构的热负载差异也不大,但对于同等体积的燃油,燃油持续燃烧的时间却增加20％左右。     

含硼贫氧燃气补燃室反应流场研究

以King模型模化硼粒子燃烧,以几率密度模型模化湍流燃烧,对含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室流场进行数值研究,并与试验结果进行了对比。计算表明:环向燃料喷口布局可增加贫氧燃气气相组分与空气的混合、反应效率;突扩形的几何结构有利于燃气产生大涡运动。     

旋转射流对含硼固体火箭冲压发动机二次燃烧的影响

为提高固体火箭冲压发动机二次燃烧效率,将旋转射流技术引入固体火箭冲压发动机设计,采用Re-alizable k-ε湍流模型、单步涡团耗散燃烧模型以及KING硼粒子点火和燃烧模型,利用Fluent软件开展了旋转进气和一次燃气旋转含硼固体火箭冲压发动机补燃室三维反应流场流数值分析。研究结果表明,当空气射流切向进入补燃室时,气流产生的旋转均使燃料与空气的混合更充分,燃烧效率更高。当气流切入角度增大时,补燃效率先升后降,对于具体发动机结构,存在一个使燃烧效率最大的切入角,针对研究的模型发动机结构,此值在20°附近;当一次燃气旋流数的增加,二次燃烧效率呈逐渐增高的趋势。     

局部进气条件下空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究

为揭示空气涡轮火箭发动机燃烧室中富燃燃气与空气在涡轮局部进气条件下的混合增强机制和燃烧反应机理,对富燃燃气与空气的湍流混合及燃烧过程进行了数值模拟,并结合试验结果定量分析了两类燃烧组织方案的掺混和燃烧效率。研究结果表明:涡轮局部进气条件下波瓣混流器强化掺混的主导因素是大尺度流向涡的对流型混合,涡轮局部进气对涡系的初始空间分布及涡量强度具有显著影响,其对下游掺混质量的影响与波瓣型面相关;肼分解燃气与空气的燃烧是一种分支链锁反应,其主要反应历程是氢气的氧化反应和氨气的分解,热混合效率可作为掺混燃烧效率预测的重要参考量。 