耦合详细反应的二维燃烧流场数值模拟方法

<正>随着航空业的迅速发展,燃烧温度和强度在大幅提高,计算高温反应时精确性要求相应变高;另外积碳现象,燃烧中间组分对火焰结构及火焰稳定性的影响,燃烧污染物形成机理等都迫切需要对目前的燃烧数值模拟方法中应用详细反应机理。因此深入研究详细反应机理在航空发动机燃烧流场计算中的应用是具有重要意义的,也是未来燃烧计算的发展方向之一。因此对基于详细反应机理的燃烧流场计算方法的研究已经引起很多人的重视。     

试验研究双旋流器头部燃烧室几何参数对燃烧性能影响

试验研究不同油气比下双级旋流器的几何参数以及主燃孔布局变化,对单头部试验燃烧室出口温度分布、燃烧效率、贫油熄火极限以及污染物排放等燃烧性能的影响规律.试验结果表明:双级旋流器的几何参数(如:叶片安装角、旋流器流通面积和喉道距文氏管出口距离等)与主燃孔布局变化对燃烧室性能都有较大的影响,但随着油气比的下降,影响程度相应地减弱.      

数值研究环形回流燃烧室紊流燃烧流场

在任意曲线坐标系下,采用四步反应机理数值研究回流环形燃烧室内燃烧过程中间及最终产物的生成.采用重整化群k-ε模型、涡团耗散模型及离散坐标法分别模拟紊流黏性、燃烧反应速率及辐射传热;采用随机颗粒轨道模型描述油珠温度、运动及其尺寸变化等过程;采用PISO(pressure implicits plit-oper-ator)算法对离散方程进行求解;在非交错网格体系下,预估该燃烧室三维两相燃烧流场以及燃烧产物分布.计算与实验结果较为相符,表明本文的数值方法及模型可靠,可为环形回流燃烧室的优化设计及污染物减排提供技术支持.      

环形燃烧室两相喷雾燃烧的大涡模拟

在三维任意曲线坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法对环形燃烧室火焰筒气液两相紊流瞬态反应流进行数值模拟.采用椭圆偏微分方程生成三维贴体网格,计算中所采用的数学度模型有:k方程亚网格尺度模型估算亚网格紊流粘性;亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率;热通量辐射模型估算辐射换热.并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解,液相采用随机离散模型(Stachasttc Separated Flow,简称SSF),在拉格朗日坐标系下追踪各油珠群沿各自轨道运动、质量损失及能量变化.通过计算结果与实验数据相比较,表明在三维贴体坐标系下对燃烧室火焰筒两相紊流油雾燃烧流场进行大涡模拟,采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法能反映两相紊流化学反应流流动及实际燃烧过程.     

模型燃烧室两相燃烧大涡模拟的并行计算

在三维任意曲线坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法对模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程进行大涡模拟并行计算研究。通过大涡模拟计算结果与雷诺平均计算结果对比表明大涡模拟方法能更好的模拟流场细观结构。同时分别采用多个处理器和动态内存分配对大涡模拟并行计算程序进行数值模拟,并行计算结果表明:多个处理器之间并行计算结果与PIV测量的瞬态速度场以及出口温度分布实验数据相互吻合,表明采用并行计算和动态内存分配在保证计算结果正确的前提下,大幅度降低计算机内存和大涡模拟计算时间。     

区域法数值模拟短突扩压器流场

在一般曲线坐标下对环形燃烧室突扩压器和其内外环通道流场进行了数值模拟。紊流特征有用工程上常用的κ－ε双方程模型来描述，使用壁面函数法处理曲线壁面边界，采用非交错网格系统和ＳＩＭＰＬＥ算法求解各守恒方程。为了计算方便，利用区域法对复杂的流道进行分块处理，计算所得的速度和压力分布较为合理，表明本方法是可行的。     

湍流燃烧模型在航空发动机喷雾燃烧中的应用

使用自主开发的计算软件,数值模拟航空发动机旋流杯环形燃烧室三维湍流煤油两相燃烧过程,采用多维经验分析法与多步反应火焰面模型预测旋流杯环形燃烧室污染物排放,对4种湍流燃烧模型预测喷雾燃烧流场与污染物排放能力进行评估.各模型所得的计算值与试验数据较为相符,表明这些模型都可用来预测旋流杯环形燃烧室两相燃烧流场和污染物排放能力,但是不同模型的计算精度不相同.其中多步反应火焰面模型所得的出口温度分布与污染物排放与试验结果最接近,其预测精度高于其他模型.因此合理选择湍流燃烧模型可以提高计算准确性和可靠性.      

大涡模拟模型燃烧室燃烧性能计算

对带双级扩压器的模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程,在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法进行数值研究,同时采用多维经验分析法预估燃烧性能.采用 k 方程亚网格尺度模型模拟亚网格湍流黏性;亚网格EBU(eddy-break-up)燃烧模型预估化学反应速率;多维经验分析法计算燃烧性能;并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法对控制方程进行求解,液相采用随机离散模型,两相之间的耦合采用PSIC(particle-source-in-cell)算法.通过大涡模拟瞬态及时均计算结果表明:与粒子图像测速仪(PIV)测量的瞬态速度场、出口温度分布试验数据吻合,表明在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法,数值模拟模型燃烧室两相喷雾燃烧流场,所采用的亚网格模型可以用于燃烧室气液两相喷雾燃烧流场的大涡模拟;燃烧性能计算结果与试验测量结果基本一致,说明所采用多维经验分析法可以用来数值模拟航空发动机燃烧室燃烧性能的计算,特别是污染物的预估,为设计低污染高性能航空发动机燃烧室提供有用的设计依据.      

燃烧室贫油熄火极限数值预测

在任意曲线坐标系下分别对双级轴向涡流器矩形燃烧室及涡流杯回流环形燃烧室三维两相反应流场进行数值模拟,采用RNG(renormalization group)k-ε,SOM-EBU(second order moment-eddy break up model)及六通量辐射等模型考虑紊流流动、化学反应及辐射传热对燃烧过程的影响;采用SI MPLE(semi-implicit method for pressure linked equation)算法求解流场,气液两相耦合采用颗粒源项法处理.采用提出的燃油稳态逐次逼近法对贫油熄火极限进行数值预测,所得计算值与实验数据较为相符,表明此数值预测方法可靠,可用于工程实践.      

二阶矩-EBU模型用于两相反应流场的数值模拟

采用RNG k-ε紊流模型模拟紊流粘性,二阶矩-EBU紊流燃烧模型计算燃烧速率,六通量热辐射模型考虑辐射传热对两相反应流场的影响,在任意曲线坐标系下对航空发动机环形燃烧室三维两相反应流场进行数值研究。气相流场采用P ISO算法求解,液相采用颗粒轨道模型,并用PS IC考虑气液两相的耦合影响。对两种燃烧室的流场进行计算的结果与实验数据对比,表明该计算方法可靠,可为燃烧室性能的改善提供有用依据。