AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验

针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求,基于浸没边界方法（IBM）及大涡模拟-输运概率密度函数湍流燃烧模型（LES-TPDF）开发软件AECSC-IBM,用网格标记映射燃烧室真实几何结构。通过模拟双旋流燃烧室算例和Sandia射流火焰算例检验湍流流动和燃烧的模拟精度。在双旋流燃烧室模拟中,旋流器出口时均轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%和15.0%。在射流火焰的模拟中,Flame-E和Flame-F的温度、燃料质量分数平均相对误差分别为14.69%、5.22%和14.18%、5.54%。进一步将AECSC-IBM软件应用于某真实结构单头部燃烧室算例,模拟得到出口温度与实验数据相比方均根误差为11.66%。算例检验表明AECSC-IBM软件能快速精确映射几何模型,大幅减少复杂几何高质量网格生成工作量,高效准确地模拟航空发动机燃烧室内的两相湍流燃烧现象,模拟结果可为燃烧室精细化研发提供燃烧场数据参考,具有工程实用价值。      

折流燃烧室间接点火过程研究

为了研究折流燃烧室的间接点火过程,对三种不同初始火核位置的燃烧室进行大涡模拟计算,并结合燃烧室点火试验和性能试验进行验证.研究结果表明:折流燃烧室的主燃区可分为三个区域,分别是主回流区、横跨气流区以及次回流区;燃烧室点火成功的关键在于初始火炬进入次回流区;通过大涡模拟计算得到的贫油点火边界油气比与点火试验结果的绝对误差...     

折流燃烧室燃烧流场大涡模拟

为深入了解航空发动机折流燃烧室内部复杂流场结构,对一种带有离心甩油盘的单头部环形折流燃烧室冷热态流场进行大涡模拟。数值计算模拟了从启动状态到稳定燃烧状态的完整非稳态过程,获得了该燃烧室流量分配、压力损失等参数以及冷热态流场结构。数值计算结果表明：（1）冷热态下燃烧区流场结构分为主回流区和次回流区两部分,主回流区冷态时呈现多涡结构,热态时回流区形状受燃油射流影响呈现对称的双涡结构;（2）燃烧室中各涡团结构由各进气孔射流相互作用形成,涡团结构促进燃烧室内部的能量和质量交换;（3）热态时燃烧室前后涡流板周围存在两个稳定的点火源。     

一种基于浸没边界-大涡模拟的降落伞流固耦合计算方法

降落伞充气过程涉及复杂的流固耦合（fluid-structure interaction, FSI）现象,浸没边界（immersed boundary, IB）方法作为一种边界非协调方法,适合处理这种非线性大变形FSI问题。将Mittal等提出的尖锐界面IB方法与大涡模拟（large eddy simulation, LES）相结合（LES/IB）,应用于中高雷诺数（Re）降落伞绕流的模拟。在此基础上,结合非线性有限元方法,建立了一种基于适合复杂外形非均匀湍流的动态Vreman亚格子（Vreman subgrid-scale, Vreman SGS）模型的FSI方法,用于模拟降落伞充气过程。最后,通过经典的圆柱绕流算例（Re = 3900）验证所发展的LES/IB方法的准确性。结果表明,LES/IB方法对平均阻力系数（$bar C_D $）、后缘点平均背压系数（$-bar C_{p,rm b} $）和斯特劳哈尔数（St）的计算结果与直接数值模拟、LES和实验结果吻合较好,误差均低于8%。此外,利用发展的Vreman SGS模型对典型的圆伞和十字伞充气过程中的气动性能和结构响应进行了分析,并与Smagorinsky SGS模型进行了对比。结果表明,在降落伞充气呼吸阶段,两者对阻力系数和投影面积的计算结果吻合较好,相对误差均在5%以内,验证了本文FSI方法的可靠性。     

航空发动机燃烧室数字孪生体系关键技术

通过曲线坐标系浸没边界方法（IBM）,在设计阶段可以实现对真实航空发动机燃烧室的高保真虚实映射,保留全部几何结构信息。在IBM方法基础上,采用大涡模拟（LES）结合概率密度函数输运方程湍流燃烧模型（TPDF）,对双旋流燃烧室、某单头部直流燃烧室以及某折流燃烧室1/10模型进行真实结构仿真,测试数字孪生体系关键技术的有效性。对比预测结果和实验结果,双旋流燃烧室的旋流器出口附近轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%、15.0%;非稳态解析了真实直流燃烧室与折流燃烧室的详细湍流燃烧场,出口温度分布的平均相对误差分别为11.66%和17.95%。因此基于虚实映射得到的燃烧室数字孪生体系具有一定的有效性,该方法具有潜在的工程应用前景。      

折流燃烧室两相喷雾燃烧流场数值模拟

在任意曲线坐标系下对折流燃烧室两相喷雾燃烧流场进行数值模拟,采用偏微分方程法生成三维贴体网格,采用k-ε双方程模型模拟湍流黏性,分别采用EBU(eddy break-up)-Arrhenius燃烧模型、EDC(eddy díssipation concept)燃烧模型以及二阶矩(second-order-moment,...     

方腔折流燃烧室冷态流场研究

方腔折流燃烧室是针对小型燃气涡轮发动机所设计的新型燃烧室设计方案,其目的是为了克服常规回流燃烧室所存在的总压损失较大、出口温度分布控制困难等问题。通过对方腔折流燃烧室和回流燃烧室的冷态流场进行数值模拟,发现在相同的工况下,方腔折流燃烧室具有对称的头部流场,其回流区空间尺度是常规回流燃烧室的9.4倍,回流强度是常规回流燃烧室的1.8倍,而火焰筒壁面总面积仅为常规回流燃烧室的51%,进出口总压损失仅为常规回流燃烧室的69.4%。     

折流环形燃烧室流动过程数值模拟与分析

为深入研究折流式环形燃烧室燃烧过程,在任意曲线坐标系下发展了一套可对湍流燃烧进行数值分析的数值模拟软件。通过求解偏微分方程生成数值研究所需结构化网格,使用混合差分格式对气相控制方程进行离散并基于SIMPLE算法进行求解,分别采用RNG k-ε与Wilcox k-ω模型分析不同湍流模型对计算结果的影响,近壁区域流动采用三层壁面函数法加以处理。数值模拟结果表明,引入燃烧室的新鲜空气在扩压器出口流动方向发生折返,在扩压器下侧形成了较大的回流区域,导致较大的总压损失。不同紊流模型预测结果与试验数据符合较好,其中Wilcox k-ω最为准确,更适用于折流燃烧室燃烧过程的数值分析。     

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。     

湍流燃烧模型在燃烧室数值模拟中的对比分析

以某单头部矩形燃烧室为研究对象,采用多种湍流模型和燃烧模型进行组合计算,模拟燃烧室内部的速度场和温度场,并对计算结果进行对比分析。结果表明:湍流模型主要影响火焰筒内部主燃孔横截面上游的速度分布,Standard k-ε和Realizable k-ε模型的速度场计算结果差异相对较小;湍流动能预测受湍流模型的影响较大,并具有一定规律性;不同组合模型对燃烧室内部和出口温度分布的局部细节模拟差异较大,燃烧模型影响最大;PDF模型计算的温度值较合理,另外三种燃烧模型在单步完全反应燃烧机理下的计算值偏高,计算获得的OTDF也相差较大。     

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.     

低速粘性分离流的数值模拟

本文介绍对一种采用涡控制技术的新概念兵器--环翼以及升力体航天飞机的低速气动力数值模拟.对这类外形复杂、流动状态也十分复杂的流场,需正确模拟出流场不同部分的流态及湍流运动参数.本文采用一种主要与流场平均运动涡量相联系的新的湍流模型,较好地解决了这一问题.数值计算给出了大量满足工程要求的气动参数,并解决了一些关键性气动问题.     

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。     

加力燃烧室流场形态与振荡燃烧数值模拟

利用数值方法对发动机加力燃烧室内的流场形态和振荡燃烧进行模拟,获得流场平均参数及涡系结构,观察到燃烧室内火焰稳定器唇口附近剪切涡对选择模型的敏感性,发现火焰稳定器后的涡脱落和回流区的周期性变化是引起加力\"蜂鸣\"现象和振荡燃烧的重要因素,证明了Rayleigh准则在研究此类问题时的适用性.      

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。     

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。      

驻涡燃烧室驻涡区涡系特点数值模拟

为深入了解驻涡燃烧室凹腔内流场的涡系分布特性,采用FLUENT对不同驻涡区前进口堵塞比和不同燃烧室入口速度的驻涡区流场进行计算,分析典型截面压力场和流线图,研究驻涡区涡系特点.结果表明:不同纵截面旋涡特点不同,主流被联焰板堵塞的凹腔纵截面只有主涡,为稳定点火和火焰稳定提供条件;不同横截面的旋涡差别较大,离驻涡区前壁越远的截面涡心距越大,贴近前壁和后壁的截面均无旋涡;燃烧室入口速度对轴向中间截面的旋涡结构无影响,而前进口堵塞比对旋涡结构影响较大.     

涡轮喷气式发动机整机环境下折流燃烧室性能试验

采用整机试验的方法,对某型涡轮喷气式发动机从低转速到高转速状态下的燃烧室出口温度进行了测量.结果表明:该折流燃烧室在发动机低转速下性能较差,但各项性能参数随着发动机转速的增加而上升.在发动机设计点状态下,该折流燃烧室各项指标基本符合设计要求,其出口温度分布系数小于0.31,燃烧效率可达98.1%.      

详细化学反应机理对预混丙烷钝体熄火模拟影响

航空发动机熄火预测是重要关键问题之一,湍流和化学反应的非线性相互作用使预测非常困难。本文采用大涡模拟（LES）对湍流进行高精度模拟,采用概率密度函数输运方程湍流燃烧模型（TPDF）耦合JL4、Z66和H73三种化学反应机理,对预混丙烷钝体熄火现象和规律进行研究。JL4的反应机理最简单,反应释热快,局部放热高,火焰宽度大,火焰两侧温度梯度大,燃烧更加趋于稳定,无法模拟出熄火状态。H73机理绝热火焰温度低,火焰温度低,回流区中部OH含量高;在近熄火状态,大量CO被氧化,释放热量过高导致无法模拟出熄火现象。Z66机理可以模拟出火焰正常状态,在低当量比下也可以模拟出熄火状态。本文算例中,局部Da数大于1的区域超过35%则会发生熄火。