掺氢航空发动机燃料的基础燃烧特性

面向航空“碳中和”需求,基于数值模拟研究了掺氢对航空燃油替代燃料火焰传播、自着火以及自着火协助下火焰传播的影响。结果表明:在富燃条件下,无量纲化火焰速度随掺氢量的增加呈非线性增大,可接近20,这给避免火焰回火带来了巨大挑战;掺氢后火焰温度的升高对火焰速度的影响在贫燃时可忽略,而在富燃时不可忽略;对于自着火,纯正十二烷和纯氢两种燃料的混合物存在动力学耦合。基于此构建的自着火风险图表明,氢气在亚音速巡航条件下抑制自着火,而在超音速巡航条件下可能抑制也可能促进自着火,取决于掺氢量和燃烧室入口温度。针对自着火与火焰传播的耦合,一维自着火协助火焰的计算结果表明,对于具有两阶段着火特性的燃料,掺氢的质量分数达到50%时可消除其第一阶段自着火的协助效应。

数字孪生在航空发动机燃烧室设计阶段的应用与展望

随着航空发动机性能指标和系统复杂度的不断提升,数字孪生技术正在成为支撑航空发动机全生命周期管理的重要手段。燃烧室是发动机的心脏,其研制过程具有难度大、周期长、花费高等特点。基于数字孪生的设计技术能够预测燃烧室的性能,评估其可靠性,并对试验方案进行预先评估与优化,大幅缩短燃烧室设计的时间,同时降低经费支出。简述了航空发动机燃烧室在设计阶段面临的挑战,并针对数字孪生在航空发动机燃烧室设计阶段的应用与关键问题进行了简要的综述与展望。

输运概率密度函数中的小尺度标量混合建模

输运概率密度函数方法能精确地求解湍流燃烧中的有限化学反应速率,但小尺度上分子扩散引起的组分变化则需要通过标量小尺度混合模型来模拟。论文综述了当前湍流预混燃烧中混合模型研究的最新进展。首先介绍了现有标量混合模型在不同预混燃烧模式下的表现:对于火焰面燃烧模式,保持组分空间的临近性对于标量混合模型非常重要,标量混合频率受火焰结构影响显著;对于破碎反应区模式,组分空间保持临近性的重要性有所减弱,标量混合频率由湍流主导。接着介绍了最新基于直接数值模拟数据的标量小尺度混合机制和建模研究,包括湍流预混燃烧中反应标量小尺度耗散机制、反应标量混合时间尺度在不同燃烧模式下的演化规律、依据线性混合思路构建的标量混合时间尺度模型。针对不同湍流预混燃烧模式的模型验证表明:相比于已有湍流混合时间尺度模型,新模型显著提升了对湍流预混火焰中的标量耗散率和燃烧特性的预测精度。最后介绍了大涡模拟/输运概率密度函数方法在近极限湍流预混火焰,如甲烷预混值班火焰和湍流对冲预混火焰中的应用,验证了其对贫燃、高湍流度条件下的湍流-化学反应相互作用及局部熄火/再燃现象的预测能力。

CH_4/空气含氮燃烧的14步简化机理

从含氮的详细机理GRI2 11出发,通过分析确定了主要物质后,利用敏感性分析和自动简化机理的计算程序,构造出一套含氮反应的CH4 空气燃烧14步总包简化机理,该简化机理包括18种组分和14个总包反应,其中,总包反应速率通过准稳态假设由准稳态物质的关系式来确定。利用良搅拌反应器和层流预混火焰的燃烧问题对其进行了检验。通过与详细机理的计算结果比较表明,该简化机理能在大范围热力学参数变化范围内很好地预测燃烧现象以及NO的生成量。

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。

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。

气体流量对熔石英玻璃的影响

大尺寸熔石英玻璃的折射率均匀性对其光学特性有重要影响,本文对利用SiCl_4水解合成熔石英玻璃的过程开展数值模拟研究,揭示H_2和O_2当量比以及载料气与SiCl_4质量比对温度分布和组分浓度分布的影响,及其对熔石英玻璃折射率均匀性潜在的影响.研究结果表明,在径向方向上,火焰温度分布呈现"高-低-高"的M型分布规律;增大H_2/O_2当量比,会使轴向火焰预热区变短,当量比为1.0时,会产生一个比较长的火焰射流长度及宽的径向高温区,但是羟基浓度变化比较大,导致熔石英玻璃折射率不均匀性增加;采用小的当量比对提高玻璃折射率均匀性有一定的作用,因为在小的当量比下玻璃体沉积面上的温度梯度以及羟基浓度梯度较小,但是同时会降低火焰整体温度以及SiO_2生成量;另外,增加载料气对SiCl_4的质量比会降低玻璃体沉积面的温度变化,有利于改善折射率均匀性,但是与此同时,玻璃体沉积面上羟基浓度梯度增加了,对熔石英玻璃的折射率均匀性会产生不良影响.

超/亚声速混合层压力不匹配时流动特征

为了获得压力不匹配对超/亚声速混合层空间分布与增长、压力分布和相似性等特征的影响规律,开展试验和数值模拟研究。通过粒子图像测速技术PIV测量混合层空间分布,标准k-ω模型模拟稳态流场特征。超声速气流马赫数为1.32,亚声速气流马赫数为0.11,五组不同压比分别为0.82,0.95,1.11,1.22和1.47。研究结果表明:压力不匹配对混合层增长的影响较弱;当压比>1时,混合层沿流向呈现波纹分布,静压呈现高、低压交替分布;压比增加,混合层内无量纲速度分布不变,无量纲总压减小,而湍流强度增加。基于无粘假设的预测模型捕捉了波节的基本结构与分布。

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。

机器学习在湍流燃烧及发动机中的应用与展望

随着燃烧科学的发展,数值仿真与实验测量产生了大量数据,这些数据隐含许多有效的物理信息。传统研究方法对此类信息主要利用基于物理规则的模型去处理,但随着数据量的增加,基于数据驱动的方法开始受到重视。机器学习(machine learning,ML)技术由于在数据分析和处理方面取得了巨大成功,为处理燃烧领域的大量数据提供了一种新的范式。该文简要介绍了ML在湍流燃烧中的应用,主要包括化学反应、燃烧建模、发动机性能预测与优化、燃烧不稳定性预测与控制等4个方面,讨论了机器学习在燃烧研究中面临的挑战,并对未来应用进行了展望。

SiCl_4/H_2/O_2反应动力学及其化学加速计算

本文提出了一个SiCl_4/H_2/O_2反应动力学模型,并采用H_2/N_2/SiCl_4-N_2/O_2层流对冲扩散火焰实验验证提出的详细机理的准确性,结果表明提出的详细机理获得的结果与测量结果较吻合。该详细机理被应用于熔石英玻璃合成仿真,与四步总包机理相比该详细机理获得了更低且更准确的温度及二氧化硅质量分数。为了在仿真中加快化学计算,本文研究了自适应建表与动态自适应化学的组合化学加速算法TDAC,得出采用TDAC算法能够获得加速因子为2.0的加速效果,且除了SiO_2含量预测有小的偏差外,温度和OH含量预测均较准确。TDAC引起的误差可以通过自适应建表的容差值及DAC的简化阈值进行有效控制。另外,TDAC中初始搜索组分选择对机理简化结果有重要影响,最终产物SiO_2是影响简化结果的关键组分之一,应该被包含在初始搜索组分中。

湍流燃烧概率密度函数(PDF)模拟的敏感性分析

针对采用概率密度函数(PDF)方法的湍流燃烧数值模拟,基于已有的颗粒层面局部敏感性分析,提出一种改进方法,以高效地估计对反应动力学参数的局部敏感性系数。该方法的两个关键思路为:评估化学反应对组分演化的重要程度;以"当前效应"估计"总体效应"。以部分搅拌反应器(PaSR)为研究对象,通过与直接计算的结果比较,证明了新方法的计算结果可作为直接计算的有效估计,能够有效预测各个化学反应对于系统的相对重要性。

燃机预混燃烧混合特性实验及理论分析

贫预混燃烧中的混合问题对深入理解污染物排放机制至关重要。本文针对某一特定喷嘴进行混合特性实验测量,通过三维数值模拟与实验测量值进行比较,分析得出湍流施密特数对混合特性的影响,发现施密特数为0.5时数值模拟结果与实验值符合良好;随后依据实验值和三维数值模拟结果,并结合理论分析混合分数方差控制方程中扩散项和生成项所占比例,提出用于衡量燃机预混燃烧混合特性的一维混合模型。结果显示,该特定喷嘴的混合效果很好;混合分数方差控制方程中的扩散项和生成项所占比例不超过25%,一维模型能依据有限实验值较好地预测燃烧室中的混合不均匀度。

航空发动机燃烧室两相湍流燃烧建模与仿真

航空发动机燃烧室具有内部结构复杂、燃烧组织多样、物理化学过程多变的特点。数值仿真技术的工程应用可有效缩短燃烧室的研制周期,减少试验数量和设计风险,备受研究人员重视。该文依据航空发动机燃烧室工程应用仿真需求,通过分析燃烧室典型仿真的特点和难点设计了一套数据结构合理、流程架构可拓展性高的软件框架,针对性开发集成了10类具备高精度优势的雾化、蒸发和湍流燃烧模型,研制出一套具有完全自主知识产权、可高效运行于现代主流高性能计算机之上的并行自适应非结构网格的燃烧室两相湍流燃烧数值仿真软件。典型工程全环主燃烧室和加力燃烧室上亿网格规模算例和工况的测试结果表明:燃烧数值仿真软件的两相湍流燃烧耦合仿真功能、精度和并行效率基本满足航空发动机燃烧室工程实用要求。

湍流燃烧机理和调控的活性子空间分析方法

高效、低排放等需求促使发动机燃烧趋于近极限燃烧组织,亟需在稳定可控燃烧方面取得突破。湍流燃烧机理复杂,影响湍流燃烧数值模拟预测的物理化学和初始/边界条件参数众多。但是在该高维映射关系中,预测目标量往往仅在输入参数空间中的少数方向上梯度显著,称之为活跃方向。当活跃方向与空间基的方向不一致时,采用传统的全局敏感性方法难以高效地分析出主控参数以及后续的湍流燃烧机理。而活性子方法可以通过梯度的协方差矩阵特征分解得到上述活跃方向。本文综述了活性子空间方法理论及在湍流燃烧模拟中的应用:即探究海量输入参数空间中的活跃方向,构造低维活性子空间和低维响应面,从而高效地量化模拟不确定性、表征主控物理过程,从而揭示湍流燃烧机理。最后,进一步探讨了基于活性子空间分析方法的湍流燃烧调控。

基于特征时间模型的高效喷雾燃烧数值模拟

开展了基于特征时间(CTS)燃烧模型的高效喷雾燃烧数值模拟研究。基于CTS模型与层流有限速率燃烧模型对CFM56航空发动机模型燃烧室进行了两相数值模拟,通过比较预测的火焰结构验证了CTS燃烧模型在喷雾燃烧中的适用性。通过采用CTS模型初始化燃烧场来提高有限速率燃烧模型的数值模拟效率,提出了基于CTS燃烧模型结合降维方法的高效数值模拟方法。结果表明:CTS燃烧模型较好预测了CFM56模型燃烧室的火焰形态和组分分布,可为有限速率燃烧模型的数值模拟提供良好的初始解;采用自适应建表(ISAT)方法可减小计算时间90%,在此基础上,基于CTS模型初始化的稳态算例收敛时间减少35%,进一步结合降维方法收敛时间减少40%,证明了CTS模型具有提高喷雾燃烧数值模拟效率的潜力。

湍流预混火焰LES/FDF模拟中标量混合时间尺度建模

在实际应用中,精确模拟高湍流度预混火焰十分关键但极具挑战性。本文将被动标量混合时间尺度动态封闭方法与hybrid混合时间尺度模型结合,在湍流预混火焰LES/FDF模拟中提出一种新的标量混合时间尺度建模方法。该方法不需要人为选取混合模型参数CM,且动态地考虑了由湍流和火焰结构分别引起的亚网格标量混合。对悉尼值班预混射流燃烧器高湍流度PM1-150火焰进行了LES/FDF模拟。结果表明,新模型显著改善了对整体燃烧进程的预测结果,正确地预测了局部熄火/再燃现象。进一步的结果显示,模型参数CM明显大于在RANS框架下量级为1的常用取值,这表明该参数在不同框架下具有不同的物理内涵。

燃烧室数值仿真研究现状与发展趋势

在航空发动机燃烧室的设计过程中,研发人员需要攻克结构的复杂性、燃烧组织的多样性、内部化学反应过程的多变性等诸多难题,而数值仿真技术的快速发展为降低研发难度和缩短研发周期提供了一条重要途径。

颗粒层面敏感性分析在湍流预混火焰中的应用

以一个带值班火焰的甲烷-空气预混射流火焰(PPJB)为研究对象,对中心射流速度分别为50 m/s(PM1-50)与200 m/s(PM1-200)的两个火焰进行RANS-PDF模拟。利用颗粒层面敏感性分析方法,研究了IEM与EMST两种混合模型在湍流预混火焰中的特性,发现对于PM1-50火焰,尽管两种混合模型对组分平均值的预测非常相似,但却对应了两种燃烧模式,EMST对应火焰传播模式,而IEM对应自着火模式;对于PM1-200火焰,两种模型均对应火焰传播模式。通过比较敏感性系数的径向分布,发现对于PM1-50火焰,增强混合或反应强度都可以促进反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制。对于PM1-200火焰,在上游位置处,增强混合反而会抑制反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制;在下游位置处,化学反应是火焰的控制物理过程。

详细化学反应动力学动态自适应加速

详细化学反应机理应用于三维、高度瞬态的湍流燃烧数值模拟时,计算成本巨大.为此,本文提出了一种基于动态自适应建表(ISAT)和动态自适应化学(DAC)的化学反应动力学动态自适应加速方法.该方法基于组分空间的低维流形特性,采用主成分分析法将燃烧区域中的网格节点(或颗粒)从组分空间向低维空间内投影,根据投影点在低维空间内的概率密度函数来刻画系统的非均匀性,进而自适应地选择ISAT和DAC进行加速.本文通过设置内燃机模拟算例,使用甲烷GRI Mech3.0机理,初步验证了新方法的性能。计算结果表明,在保证计算精度的同时,新方法具有明显的加速优势。对于包含500个颗粒的内燃机模拟算例,加速因子可以达到使用ISAT的2.7倍、DAC的1.7倍、固定ISAT-DAC联合的1.8倍。