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。     

高温升燃烧室与双燃烧室发动机性能对比分析

采用一维定常计算方法,考虑各种部件效率的影响,在双燃烧室发动机总增压比为32,涡轮前总温为1900K时,与高温升燃烧室涡轮前总温为2400K时进行了总体性能对比,并指出了双燃烧室结构发动机2个燃烧室的热量分配方法.结果表明:温升同为1463K时,高温升燃烧室发动机比双燃烧室发动机单位推力高2.7%,耗油率低3.8%.双燃烧室结构发动机更有利克服超声速下的冲压损失, Ma大于1.5之后,增力比大于高温升燃烧室发动机.      

高温升三旋流燃烧室与双旋流燃烧室的性能对比

采用参数化建模的方法,保持扩压器尺寸、外机匣最大直径以及燃烧室出口尺寸与单环腔燃烧室(SAC)一致,将燃烧室头部旋流器从双旋流结构设计为三旋流结构,采用三维数值模拟的方法对双旋流燃烧室(DSC)和三旋流燃烧室(TSC)的流动和燃烧过程进行数值模拟.对比研究了两种燃烧室在高温升条件下的性能.结果表明:传统的DSC已不能满足油气比为0.037的高温升燃烧室的燃烧效率等性能需求,TSC可获得比DSC更高的总压恢复系数、燃烧效率以及温升,更低的出口温度分布系数(OTDF)和径向出口温度分布系数(RTDF);在油气比为0.037情况下,设计的高温升TSC总压降在5%以内;OTDF为0.162,RTDF为0.106;燃烧效率大于99%.      

旋流器特征参数对高温升燃烧室性能的影响

利用数值模拟方法考察了3级旋流器特征参数(旋向组合、旋流数)对提出的中心分级燃烧室燃烧性能的影响。对12种不同的方案进行了比较,选出了最优的3级旋流器匹配方案。计算结果表明:3级旋流器的特征参数对燃烧室流场结构和燃烧性能有很大影响;合理的旋流器旋向组合和旋流数是提高燃烧室性能的关键因素。3级旋流器旋向组合为第1、2级反向,第2、3级同向,旋流角度组合为第1级40°,第2、3级均为45°时,燃烧室可以达到最佳的燃烧效果。     

高温升旋流燃烧室性能的数值分析

为了研究高温升燃烧室,采用数值研究的方法,对所设计的高温升多级旋流燃烧室和中心分级燃烧室与现有的单环腔燃烧室(SAC,原设计油气比为0.027)在设计油气比0.037条件下进行分析。研究结果表明:多旋流和中心分级的设计方案均可获得理想的燃烧性能参数,出口温度分布系数(OTDF)分别达到0.138和0.16,满足高温升燃烧室的设计指标,而SAC燃烧性能急剧恶化,不能满足设计指标。其中,中心分级燃烧室的技术优势十分明显,显示出作为高温升高热容燃烧室的发展前景;多旋流燃烧室则兼具高温升和低排放两方面优势。     

基于中心分级的高温升燃烧室性能预估

针对高推质比航空发动机高温升燃烧室的需求,提出一种中心分级燃烧室的设计方案,在保证与现有单环腔燃烧室扩压器尺寸、外机匣最大直径及燃烧室出口尺寸相同的情况下,对设计模型进行了三维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果及试验结果进行了对比分析.研究结果表明:采用中心分级燃烧室,在获得更高温升的同时,可获得比单环腔燃烧室更高的总压恢复系数和比单环腔燃烧室更低的燃烧室出口温度分布系数(OTDF),其慢车工况下的CO排放和NO排放略高于单环腔燃烧室;在设计总油气比为0.045的情况下,温升可达1360K,总压恢复系数大于等于0.96,OTDF小于等于0.14,出口径向温度分布系数(RTDF)小于等于0.10,燃烧效率大于等于0.987.     

高温升多旋流燃烧室的数值分析

为了探索高推重比航空发动机可能用到的燃烧组织方式,基于燃烧室空气分级技术,对高温升多旋流燃烧室展开研究。在保证与某型单环腔燃烧室(SAC)扩压器尺寸、外机匣最大直径及燃烧室出口尺寸和边界条件等相同的基础上,对设计模型进行3维数值模拟,并与现有的单环腔燃烧室数值模拟结果和试验结果进行对比分析。研究结果表明:在设计油气比为0.037的情况下,采用多旋流的设计方案,温升达到1153 K,出口温度分布系数达到0.170,同时可获得理想的性能参数,满足高温升燃烧室的设计指标。     

驻涡燃烧室燃烧性能试验

开展了空气进口温度、流量和余气系数影响驻涡燃烧室燃烧性能的试验研究,获得了燃烧性能参数的变化规律:总压损失系数在3%～6%之间,流阻系数变化不大;点火和贫油熄火性能随流量变化很小,随进口温度的提高而改善,研究中最大点火和贫熄余气系数分别为6.03和14.41;仅驻涡区供油时,燃烧效率在90%～95%之间,驻涡区和主流同时供油时,燃烧效率为84%～99.5%,并随余气系数和进口流量的变小而上升.      

冲压发动机驻涡燃烧室燃烧性能试验

针对某冲压发动机驻涡燃烧室模型,进行了不同进口温度、进口速度系数和余气系数下燃烧室燃烧性能的试验研究,研究结果证明:随着进口速度系数的增加(0.20~0.35),点火总油气比和贫油熄火油气比增加,燃烧效率变化不明显;随着进口温度的增加(573~773K),点火总油气比和贫油熄火油气比下降,燃烧效率提高;随着余气系数的增加(1.1~2.1),燃烧效率提高.试验中获得最小点火总油气比为0.0035,最小贫油熄火油气比为0.0028,最高燃烧效率93%.研究证明了驻涡应用于冲压发动机燃烧室的可行性.      

同轴射流燃烧室非预混湍流燃烧流场特性大涡模拟研究

为深入研究带突扩与回流的同轴剪切射流模型燃烧室流场结构与燃烧特性,采用单步快速化学反应、火焰面与反应进度变量三种燃烧模型结合动态亚网格模型在自有CFD平台上对甲烷-空气非预混燃烧流场进行了大涡模拟。计算检验了流场时空尺度及网格和时间步长设置,对流场0~2s内启动并发展进入统计定常状态的非定常流动过程进行了完整模拟。燃烧室内多处监测点湍动能谱统计结果表明,轴向速度在混合剪切层内的脉动存在从约1200Hz开始的多个特征频率序列,且随着测点位置向下游移动,其对应的特征峰从高频到低频逐渐衰减消失。流向多个截面上时间平均的混合分数及温度分布结果表明,反应进度变量模型能够模拟出该流场特有的抬举火焰,与实验数据吻合程度显著优于其余两种模型,即对于该类型强剪切非预混反应流,以燃烧产物质量分数替代采用梯度粘性输运模化的混合分数耗散率进行计算更为合适。     

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。     

燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟

燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS湍流模型进行模拟。采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪,采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。提出1个基于SGS湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS湍流动能的影响。通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟,将预测结果和试验值进行了比较,预测值和试验值吻合良好,验证了模型的可靠性。     

多区域湍流燃烧大涡模拟

为了提高湍流大涡模拟方法在计算复杂工业燃烧设备中反应流体的效率和精度,提出了可以对结构复杂燃烧设备喷嘴内部无反应区域只求解基本流体控制方程,对喷嘴下游燃料反应区域加入燃烧模型进行分区域计算的多区域求解方法,并采用该方法和传统单区域求解方法分别对甲烷-空气预混合湍流燃烧进行大涡模拟。研究结果表明:多区域和单区域求解方法计算所得的轴向和径向时均速度、脉动速度以及OH质量分数一致;不过,多区域求解方法在计算速度上有明显优势,当CPU数量不超过64个时,计算速度可提升14.7% ~ 20.6%;多区域和单区域方法的数值模拟结果与实验值进行了对比,三者吻合较好。     

同轴分区高温升燃烧室点火性能试验研究

为获取关键特征参数及工作条件对燃烧室点火性能的影响规律,对同轴分区高温升燃烧室进行了点火试验研究.在进口压力分别为96,80,60,45kPa,进口温度为288K的条件下,试验研究了不同头部特征结构、不同火焰筒直径共四种研究方案在不同火焰筒压降(1.5％～5.5％)下的贫油点火性能,获得了其点火边界曲线.试验结果表明:...     

中心突扩燃烧室水流试验与大涡模拟

以两种尺寸的中心突扩燃烧室为研究对象,分别进行了水流试验和大涡数值模拟.结果表明大涡模拟方法可以较好地刻画该型燃烧室内的流动过程;在剪切层中出现明显的旋涡结构,旋涡的产生、发展、脱落、破碎影响着燃烧室的流动状态;燃烧室的突扩比和进气道入口流速对速度脉动的强度和频率有不同程度的影响.     

喷口尺寸对高温升燃烧室副喷嘴性能影响

为了获得某高温升燃烧室副喷嘴性能及其与喷口尺寸的相互关系,通过试验研究了供油压力和离心喷嘴的关键结构参 数对燃油流量、喷雾锥角和雾化性能的影响。研究的关键参数有喷口长度与喷口直径,采用3维相位多普勒粒子分析仪测量了某 一直线上各点的数密度分布,以及R-R（Rosin-Rammler）分布的特征直径D 和均匀度指数N。结果表明：在供油压力为164~3350 kPa的条件下,燃油流量和喷雾锥角随喷口长径比（旋流室与喷口直径比不变）和旋流室与喷口直径比（喷口长径比不变）的增大 而减小,增大喷口长径比和减小旋流室与喷口直径比可改善雾化效果。研究获得的规律为三旋流高温升燃烧室喷嘴优化设计提 供了重要的理论依据。     

合成气旋流预混燃烧的大涡模拟

如何高效洁净地燃烧合成气是整体煤气化联合循环(IGcc)系统中面临的主要问题.利用旋流贫燃预混燃烧可以达到强化传热传质,提高燃烧反应效率,降低NOx等目的,但由于合成气中所含有的H2成分,同样面临燃烧不稳定问题.为了对合成气旋流预混燃烧室的燃烧不稳定性及污染物排放提供理论和数值上的指导,采用大涡模拟方法,对典型的旋流预混燃烧室中的合成气燃烧进行了模拟.结果显示,随着H2含量的增加,火焰缩短向上游发展,燃烧室下游涡破碎更加集中.较高的入口雷诺数,加剧了涡团破碎的程度和速度,同时影响中心回流区和几何回流区的大小及分布.随着当量比的减小,火焰褶皱程度加大,燃烧趋向不稳定.增大压力火焰长度会明显缩短,NOx排放量也会随之增大,但NOx的反应速率只有在较低压力下才会对压力变化比较敏感.