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。

随机场TPDF在非结构网格平台的开发及检验

为实现对燃烧室内部燃烧过程的高精度数值模拟,增强航空发动机燃烧室研究手段,采用开源的非结构网格平台Saturne,开发可以耦合详细化学反应机理,高精度解析湍流燃烧过程的概率密度函数输运方程(TPDF)湍流燃烧模型。采用随机场方法求解TPDF方程,在原有程序基础上研发了TPDF程序模块及配合的加速算法等模拟单元,发展了针对燃烧室燃烧过程模拟的软件功能。采用射流火焰Flame D和旋流火焰TECFLAM对新软件进行了测试,结果表明:模拟结果与试验数据趋势一致,精度尚可。对某型燃烧室性能模拟验证中,计算的出口温度分布与试验结果一致,平均温度误差小于3.8%,新的软件可进一步应用于燃烧室性能的研究。

基于曲线坐标系浸没边界方法的折流燃烧室模拟

航空发动机折流燃烧室几何结构复杂,其高保真数值模拟需要高效的网格与边界条件处理方法。采用曲线坐标系隐式浸没边界方法结合大涡模拟-概率密度函数输运方程湍流燃烧模型开发自研软件,并实现WP11中折流燃烧室的高保真模拟。流动模拟中准确解析了该燃烧室中的三股主要气流,且三股气流分别约占进口流量的75%,12.5%和12.5%。两相燃烧模拟中针对拉格朗日框架下的液滴运动和欧拉框架下的湍流燃烧采用不同网格标记,模拟得到的出口径向温度分布规律与实验一致,平均相对误差为17.95%,表明基于本方法开发的自研软件能准确模拟折流燃烧室中的两相湍流燃烧现象。

煤油超声速燃烧的数值分析

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态超声速燃烧室内的超声速喷雾燃烧进行了数值模拟。采用离散液滴模型、概率密度函数紊流扩散燃烧模型和紊流k ω模型计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0 551时的情况。数值结果得到的壁面静压分布与实验数据基本一致;计算所得到的总压损失系数是0 696,非常接近实验测量值0 707,但计算得到的燃烧室燃烧效率远比实验值高。

用ASOM和PDF方程模型模拟湍流射流燃烧

分别用代数二阶矩(ASOM)湍流燃烧模型和概率密度函数(PDF)输运方程模型模拟了美国Sandia国家实验室测量的甲烷-空气湍流射流燃烧,并将模拟结果与实验结果对比.结果表明,在大多数区域内,两种模型预报的平均温度、平均组分质量分数都与实验结果符合很好,考虑到ASOM模型的计算量约为PDF方程模拟计算量的1/100,因而认为ASOM模型更适合工程应用.用PDF模拟结果统计的温度和质量分数脉动的自关联,以及反应速率系数脉动和质量分数脉动的互关联,在大多数区域内与对应的时均量的梯度乘积有相似的变化趋势,因此验证了ASOM模型封闭假设的合理性。

基于JPDF方法的喷雾湍流燃烧数值模拟

将速度-标量-频率联合概率密度函数JPDF输运方程方法应用于两相喷雾湍流反应流问题,利用火焰面模型解耦流动和化学反应动力学的耦合关系,建立相应的数值计算模型。采用Monte-Carlo数值计算方法,针对文献中以甲醇为燃料所进行的湍流喷雾燃烧值班火焰这一试验进行了数值模拟,通过与Fluent下的计算结果及试验结果的对比分析,验证了所建模型的准确性。

基于释热率分析的钝体贫油熄火过程分析

针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程,采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法,研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况,定量分析熄火判据。结果表明:冷态速度模拟结果和实验的相对均方根误差在10%以内,热态误差在20%以内;释热率是否出现在OH和CH;O重叠的区域,是判断熄火的一个重要参数;远离熄火时,释热率高的区域主要沿内侧剪切层出现;近熄火工况下,释热率在流向轴上闭合,回流区下游也出现较大的释热率;熄火点工况下,较大释热率的区域在回流区下游和上游均有出现;模拟预测的熄火情况和实验PLIF结果一致;平均释热率可作为判断熄火的定量依据,即当钝体后方0.2d处内侧剪切层平均释热率与回流区平均释热率的比值小于4时,发生熄火。

基于改进多维条件映射模型的稀疏拉格朗日模拟

发展基于MMC(多维条件映射模型)的稀疏拉格朗日模拟,可大幅降低PDF方法的计算量。通过计算一系列简单的圆管射流算例来验证改进的MMC模型的适用性,并分析稀疏拉格朗日模拟RMS统计结果中的随机噪音误差。由于MMC模型对标量梯度较大的剪切层作用较为明显,同时考虑粒子数变化对参考空间特征值的影响,提出一个稀疏拉格朗日MMC的普适模型,对MMC模型中的小尺度混合过程的模化进行改进。采用改进的模型对圆管射流问题进行模拟,计算结果表明,提出的模型具有通用性,与文献报道中的给定相空间特征值的方法模拟结果基本一致;同时,开展了稀疏粒子场统计均方根中噪声的产生及变化规律的研究,计算结果表明稀疏的拉格朗日模拟中出现的随机噪音干扰大小取决于LES网格从粒子场取值的方式,选取的粒子越多则噪音越小。

蒸发模型对乙醇湍流射流火焰模拟影响研究

航空发动机燃烧室高精度数值模拟需要合理的蒸发模型,目前蒸发模型对两相湍流燃烧模拟的影响定量研究不足。乙醇较其他燃料蒸发潜热大,对蒸发模型敏感。文章采用LES求解湍流、TPDF解决湍流和化学反应的相互作用,研究Abramzon-Sirignano(A-S)蒸发模型、Spalding蒸发模型和厚交换层(NC-TEL)蒸发模型对高雷诺数乙醇两相湍流射流火焰的数值模拟结果并与实验数据对比。定量分析不同蒸发模型对温度、混合物分数及液相分布等的规律性影响发现,A-S蒸发模型在射流中心区域与实验数据拟合较好,在其它区域表现欠佳;Spalding模型在x/d=10截面上模拟结果良好;NC-TEL蒸发模型在x/d>10截面及远离射流中心方向上的模拟结果表现最好。与其他模型相比,NC-TEL蒸发模型在液相速度上与实验数据相差最大为21.9%,表现最好。

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。

旋流燃烧室内湍流-反应相互作用的数值模拟

对湍流旋流燃烧进行数值模拟和预报的关键之一在于合理地描述湍流与化学反应之间的相互作用。该文应用描述湍流-化学反应相互作用的代数二阶矩-概率密度函数(PDF)模型,对旋流燃烧室内的湍流燃烧进行了数值模拟,给出了燃烧室内湍流平均反应率、温度脉动均方根值、燃料-氧气浓度脉动二阶矩、燃料浓度脉动二阶矩和氧气浓度脉动二阶矩的分布。结果表明:各浓度脉动二阶矩和温度脉动均方根值分布与湍流平均反应率分布之间有着较好的关联性。

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。

湍流射流火焰热辐射影响的数值研究

以美国Sandia实验室火焰D为研究对象,在采用κ-ε湍流模型、概率密度函数(PDF)法及详细化学反应机理模拟湍流燃烧的基础上,研究了辐射换热对湍流射流燃烧过程的影响。模拟中采用离散坐标法(DOM)求解辐射传递方程,并分别采用普朗克平均吸收系数和箱带模型计算燃烧气体的辐射特性参数。结果表明,考虑辐射换热的影响时,火焰温度及组分浓度分布计算值与实验值吻合更好,且采用考虑气体光谱辐射效应的箱带模型比仅随温度变化的普朗克平均吸收系数的计算值更接近实验值。因此,研究燃烧气体的辐射换热问题具有重要意义,同时需要考虑其光谱辐射效应。

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。

基于大涡模拟的湍流非预混燃烧混合分数概率密度函数

混合分数概率密度函数(probability density function,PDF)反映了湍流对燃料和氧化剂混合过程的影响,在湍流非预混燃烧的理论研究和数值模拟中有非常重要的作用。该文基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)对非预混火焰中的混合分数PDF进行了研究。利用LES预测的SandiaFlame D的速度和温度的均值和均方根分布与实验结果符合很好,瞬态温度场显示了合理的湍流火焰形态。混合分数PDF在反应区为钟形分布,在贫燃侧和富燃侧为钟形分布或单调形分布,取决于当地流场状态。对简化PDF模型的研究表明:β函数模型对钟形PDF和单调形PDF的预测效果都很好;截尾Gauss函数模型只能较好地预测钟形分布PDF;多点δ函数模型的预测能力与截尾Gauss函数模型的预测能力类似;双δ函数模型的预测结果偏差较大。

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。