用直接模拟数据检验RANS二阶矩燃烧模型

用谱方法对三维槽道不可压湍流反应流动进行了直接模拟(DNS),并对关联量精确输运方程中各项的贡献进行统计,发现产生项和耗散项起重要作用.进一步用DNS数据库对RANS二阶矩(SOM)湍流燃烧模型进行检验,发现扩散项和产生项的模拟值在大部分区域都和精确统计值接近,但在近壁区需要修正;耗散项的模拟有待改进.

湍流燃烧二阶矩模型DNS检验研究进展的回顾

现有的湍流燃烧模型中,有的缺乏普适性,也有的用于大涡模拟的计算量太大.一种基于湍流流动模拟思路的统计矩方法被提出来,称为二阶矩(second-order moment,SOM)燃烧模型,用于非预混射流火焰和旋流火焰的雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling,RANS)和大涡模拟(large-eddy simulation,LES),以及钝体后方预混火焰的大涡模拟,已经得到实验结果的良好检验.进一步的研究是该模型的直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)检验.本文对作者以及文献中报导的SOM模型DNS检验的研究进展进行了回顾.

两种亚网格燃烧模型的旋流扩散燃烧大涡模拟

用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型和文献中的涡旋破碎亚网格(EBU-SGS)燃烧模型,对甲烷-空气旋流扩散燃烧进行了大涡模拟,将二者得到的LES统计平均温度分布和实验结果以及用二阶矩燃烧模型的统观模拟(RANS-SOM)结果比较,表明LES-SOM和RANS-SOM的模拟结果都和实验符合较好,而LES-EBU的模拟结果和实验不符合,在不同区域内高估或者低估了燃烧温度。其原因是由于EBU模型不能有效地考虑有限反应动力学的作用。LES-SOM模拟的瞬态结果显示了旋流扩散火焰的湍流大涡结构不同于射流火焰的特点。

TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型及其检验

先进航空发动机燃烧室设计要求对湍流火焰精确控制,现有模拟方法需提高精度和效率。输运概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型精度高,代数二阶矩(ASOM)湍流燃烧模型计算成本低,类比离散涡模拟思想,基于Da数将湍流燃烧场区分“高精度”和“低成本”2个区域,在输运方程框架下采用随机场TPDF(高精度)和ASOM(低成本)方法重构TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型,以提高模拟的整体精度和效率。在大涡模拟(LES)-TPDF程序平台创建ASOM并进一步实现TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型,用Flame D实验数据检验所建模型和方法。结果表明:所建模型的预测结果与实验值接近,而且能够兼顾精度和计算效率。

旋流贫预混燃烧湍流特性的大涡模拟

针对一个非受限强旋流CH_4/空气贫预混燃烧器的冷态工况和燃烧工况进行大涡模拟,建立了基于两步简化机理的改进代数二阶矩燃烧模型,模拟得到与实验数据相符的结果.为了进一步分析化学反应对湍流流动的影响,应用了空间关联函数和湍流能谱分析方法处理模拟结果,模拟结果显示燃烧增强了湍流涡团的能量.

固体燃料冲压发动机燃烧室燃烧特性数值模拟

采用12组分1、7个化学反应的模型和二阶矩湍流燃烧模型,通过计算药柱表面热传导率,得到了燃面退移速率,对固体燃料冲压发动机燃烧室内部的燃烧流动进行了数值模拟,分析了空气流量、空气总温和入口直径对燃烧室温度分布、C4H6分布和燃面退移速率的影响.分析表明,减小空气入口直径、增加空气流量和总温都会使燃面退移速率增加.

两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟

为研究旋流火焰结构,采用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型及Smagorinsky-Lilly和K方程亚网格湍流模型,对美国Sandia国家实验室测量的旋流火焰进行了大涡模拟,得到了与燃烧场速度、温度和温度脉动实测值相吻合的模拟结果。预报的瞬时温度分布云图与实际火焰的形状很相似。K方程亚网格湍流模型预报的瞬时温度分布比Smagorinsky-Lilly模型的预报结果更接近实际。燃烧火焰基本上位于回流区所在的位置,火焰在回流区被稳定。

分级进风旋流燃烧室内湍流燃烧的数值模拟

应用考虑湍流-化学反应相互作用的代数二阶矩-概率密度函数(PDF)湍流燃烧模型,对分级进风旋流燃烧室内两组工况下的甲烷湍流燃烧进行了数值模拟,得到的二氧化碳浓度和气体轴向脉动速度均方根值分布与实验数据相符合,得到的气体轴向和切向速度、轴向-切向脉动速度关联量、温度和氧气浓度分布与实验数据基本相符合。研究结果表明,选取适当的二次风率可以起到优化燃烧过程的作用。