基于火焰面模型的超声速湍流燃烧数值模拟研究

在非结构混合网格有限体积框架下,将RANS方程和层流火焰面模型相结合,开展超声速湍流燃烧流动数值模拟研究,时间和空间离散分别采用LU-SGS格式和HLLC格式。用SST k-ω模型模拟湍流,FlameMaster 3.9生成火焰面数据库,并采用β-PDF和δ-PDF分布来考察湍流和化学反应的相互作用。采用该数值方法,对DLR氢燃料超燃燃烧室和北航乙烯燃料气动斜坡超燃燃烧室开展了数值模拟研究,并将数值计算结果与实验数据进行对比,二者符合较好。研究结果表明:在主流中心支板顺流喷射超燃燃烧室内,燃烧主要发生在支板后的燃料/空气混合层内,并且火焰核心落在恰当混合物分数Zst附近区域。      

基于不同PDF的超声速扩散燃烧火焰面模型对比

为了研究混合分数概率密度函数对湍流扩散燃烧的影响,采用稳态火焰面模型描述超声速扩散燃烧过程,分别采用β-PDF和δ-PDF方法对层流火焰面数据库积分得到两种湍流火焰面数据库,并对比分析了湍流火焰面数据库。结合混合RANS/LES程序,利用DLR氢燃料超燃燃烧室算例进一步对比验证采用不同PDF方法生成的湍流火焰面数据库。研究结果表明,混合分数β分布数据库中间组分随混合分数方差变化大,采用混合分数β分布的算例计算结果脉动速度较大,与实验结果符合得更好。     

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。     

燃用重整气和煤油的燃烧室燃烧流场数值研究

为考察不同气液燃料对燃烧室性能的影响以及双燃料燃烧室设计时重整气显焓的影响,采用Fluent软件对双燃料燃烧室的燃烧流场进行了数值研究,并将重整气和煤油流场的计算结果进行了对比分析。数值模拟采用了Realizable k-ε湍流模型、PDF燃烧模型、离散相模型和SIMPLE算法。结果表明:燃烧室燃用不同气液燃料时,燃烧室内的回流区结构尺寸大体相同。当重整气和煤油的焓值相同时,重整气燃烧室内的最大轴向回流速度约为煤油燃烧室的5倍,温度降低约300K火焰变短,出口截面温度分布系数降低7.5%出口径向温度分布更均匀。进行气液燃料流量换算时,应考虑重整气显焓,否则会导致重整气燃烧室内的最大轴向回流速度增大约12%火焰拉长,燃烧室出口温度分布系数增大。     

超声速H_2/Air湍流扩散燃烧RANS数值模拟

为了研究修正的火焰面反应进度变量燃烧模型在超声速湍流扩散燃烧问题中的适用性,对德国宇航中心(DLR)超声速燃烧室开展RANS数值模拟。基于Open Foam软件平台中密度求解器分别对三维冷态场和燃烧场进行模拟分析。将网格自适应加密技术用于流场的计算;燃烧场计算中,通过分析不同压力下层流火焰面数据库,引入了反应进度变量源项的压力修正系数,压力修正系数α等于2.2。计算结果表明,冷态场中压力分布、波系分布、速度分布以及燃烧场中波系分布、速度分布、温度分布结果均与实验值符合较好。压力修正方法能够较好地解决超声速湍流扩散燃烧问题。湍流Schmidt数敏感性分析表明,湍流Schmidt数Sct对湍流火焰结构有较大影响,文中Sct等于0.7时能得到与实验值较为一致的分布。     

性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响,对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供,总温为1231K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室,全局当量比恒定为0.8,采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ω SST模型来模拟湍流;离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程;部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用;煤油采用正癸烷(C10H22)作为替代燃料,其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好,表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析,可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区,上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘,下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3,上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构,下游反应区则逐渐缩小;预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动,进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流,而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流;燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%,燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N;然而,燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

基于火焰面模型的超声速燃烧混合LES/RANS模拟

为了明晰超燃冲压发动机燃烧室内部燃烧过程的细节,建立了超声速湍流燃烧稳态火焰面亚格子模型,并采用混合LES/RANS方法对氢燃料超燃冲压发动机进行算例验证.控制方程对流项用五阶精度WENO格式离散,时间方向采用二阶Runge-Kutta方法.研究表明:(1)冷流流场中燃料分布与大尺度结构分布相似,说明混合过程受大涡控制;(2)燃烧流场中涡的尺寸明显变大,且仅存在于火焰面上,另外温度分布和主要生成物分布与涡量云图基本相同,说明燃烧过程也由大涡控制;(3)时均计算结果与实验阴影基本符合,速度剖面和温度剖面与实验测量值定性一致,说明本文的数值模拟方法和燃烧模型可以较好地描述和预测超声速流动燃烧过程.     

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性数值研究

为了研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,使用数值模拟方法计算了不同旋流数下的燃速、燃烧效率、推力与比冲。固体燃料为丁羟,燃烧采用总包反应与涡团耗散模型。当旋流数小于临界旋流数时,无需将旋流器出口伸入燃烧室,突扩台阶回流区即可稳定火焰;当旋流数大于临界旋流数后,须将旋流器出口伸入燃烧室一段距离,使火焰稳定在这一段区域内。旋流状态燃烧效率低于直流状态,在考虑了旋流产生的总压损失后,发动机推力与比冲也低于直流状态。     

当量比分配对双级喷注超燃燃烧室性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响,对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供,总温为1231K,入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室,全局当量比恒定为0.8,采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ωSST模型来模拟湍流;离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程;部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用;煤油采用正癸烷(C_(10)H_(22))作为替代燃料,其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好,表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析,可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区,上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘,下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3,上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构,下游反应区则逐渐缩小;预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动,进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流,而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流;燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%,燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N;然而,燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。     

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.