AECSC-JASMIN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。

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。

湍流燃烧算例在多种CPU平台的模拟性能对比

新型燃烧室研发需要高精度数值模拟及大规模并行计算。几何高保真加上高精度的湍流模型、湍流燃烧模型和化学反应机理等,必需从各方面提升大规模并行计算效率。目前超算平台的浮点运算能力评测并不能完全代表湍流燃烧模拟的实际消耗,因此列举了各计算平台的Linpack测试分数进行参考,采用典型湍流火焰数值模拟对常用的CPU超算平台进行测试,检验并行计算效率,分析结果。湍流燃烧模拟采用自研AECSC软件,结构化网格,对比了Intel、AMD和国产CPU平台。结果表明,超算平台浮点数运算能力和湍流火焰模拟效率不一致,对同一算例的计算时间存在差异;国产超算平台表现优于参考的浮点算力;不同的求解过程有不同的加速比。

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。算例中,局部Da>1的区域超过35%则会发生熄火。

基于LES-PDF方法的双旋流模型燃烧室数值模拟

文章使用基于LES-PDF方法的AECSC两相程序,对模型燃烧室GTMC进行了数值模拟,以此验证AECSC程序对燃烧室模拟的可行性和可信度,并对旋流燃烧室的流动和燃烧特性进行分析.首先,分别用商用软件Fluent 18.1和AECSC程序的LES方法对GTMC的冷态工况进行了模拟.与实验结果相比,程序计算的轴向、径向、切向速度峰值的相对误差在大多数统计点上在20%以内,3个方向速度峰值位置的相对误差基本都在10%以内.同时发现,AECSC程序的计算结果在一定程度上比Fluent的计算结果更接近实验值.文章进一步使用AECSC程序对GTMC的热态工况进行了模拟.在计算结果中,整体的时间平均温度在数值和分布上和实验结果很接近,并很好地再现了实验的“V形”火焰和内外低温回流区,但是高温区出现的位置相比实验结果有些靠前.总体来说,热态结果和实验结果比较吻合,尤其在液雾的模拟方面,计算结果和实验结果相比有着很好的一致性.这说明将LES和PDF相结合的方法在模拟湍流燃烧方面有较强的优势,可以成为未来的研究和发展方向.

双旋流模型燃烧室高温区演化分析

针对旋流火焰高温区演化问题,使用基于LES-TPDF方法的AECSC两相湍流燃烧程序,模拟径向双旋流模型燃烧室GTMC流场.将温度高于1700K的区域定义为高温区,并将高温区绕中心旋转一圈的时间定义为一个周期,分析在轴向位置Y/D在0~5的范围内燃烧室流场中局部高温区的演化.研究发现流场剪切层附近存在低频率大尺度的旋涡结构(进动涡核PVC),PVC使附近的流体出现进动特征,促进燃烧和放热.在轴向位置Y/D在0~5范围内,筛选出的高温区域在空间上处于同一个大尺度流动结构中,因此在垂直轴向的不同截面上高温区变化频率均在1000~2500Hz,且与进动涡核变化频率近似.综上说明PVC导致燃烧场出现不稳定性,影响高温区形成和演化.

Flame Structure of Methane and Kerosene Combustion with a Compact Concave Flame-Holder using the LES-pdf Method

Compact flame-holders for afterburners are an increasing requirement for modern aero engines.However,flame-holder design is non-trivial since high inlet temperatures,velocities,and elaborate structures induce complex turbulence,combustion,and spray coupling in modern afterburners.In this work,the LES-pdf and stochastic fields-Lagrangian particle spray methods are used to investigate methane and aviation kerosene combustion structures formed by new-type concave flame-holders.The flow pattern,combustion mode,and flame structure of gaseous and liquid fuel around a concave flame-holder are analyzed,discussed,and compared with experimental results.Results reveal that the flame stability of a concave flame-holder is better than that of the non-concave one.Furthermore,when using liquid fuel,the concave flame-holder forms a stable and compact flame.These results suggest concave flame-holders are a promising design for compact afterburners.

基于PDF-LES模型的凹腔支板火焰稳定器模拟

航空发动机加力燃烧室有进口气体温度高、速度高、湍流度大的特点,是极为典型的湍流与燃烧相互耦合的工况。大涡模拟(LES)兼具高精度与合理计算量两个特点,概率密度函数模型(PDF)适用于湍流与复杂化学反应相互耦合的问题。本文在基于PDF-LES的Aero Engine Combustor Simulation Code(AECSC)程序基础上,对凹腔支板火焰稳定器进行数值模拟。使用气相版本对有无凹腔支板结构分别进行三个速度入口条件下的甲烷湍流燃烧模拟,并用两相版本对带凹腔支板结构进行设计工况下煤油喷雾的模拟。结果表明:凹腔结构的火焰稳定性要优于无凹腔结构;凹腔支板结构对于液相燃料的控制能力较气相更强。

不同反应机理的火焰面模型模拟射流火焰

用一维火焰分析并构建火焰面数据库,基于稳态层流火焰面(SLFM)模型分析不同化学反应机理对火焰面数据库及模拟结果的影响。基于大涡模拟(LES)程序AECSC(aero engine combustor simulation code)软件,SLFM模型结合DRG(direct relation graph)方法简化机理、Smooke机理、GRI 3.0详细机理模拟高雷诺数甲烷射流Flame D、E、F火焰,其中GRI 3.0机理的温度平均值和脉动值与实验数据最接近。相比LES-概率密度函数输运方程湍流燃烧(TPDF)模型,LES-SLFM方法计算速度快,整体精度接近TPDF计算结果。对化学机理影响火焰面数据库,从而影响模拟时间和精度的原因进行了系统分析。LES-SLFM模型结合详细机理速度快、精度合适,未来可以进一步用燃烧室算例检验,具有应用的潜力和发展价值。