模型燃烧室冷热态两相流场的计算研究

本文采用在前期冷态两相流场和喷雾场的实验和计算研究基础上,对模型燃烧室冷态两相场的计算做了修正,考虑了湍流扩散、混合和传热传质的影响,取得与实验结果进一步的吻合。并通过不同进口温度下的计算,分析了热态两相流场和喷雾场在不同进口温度下的变化。     

双头部燃烧室两相燃烧流场数值研究

本文在贴体坐标系下对双头部火焰简内三维两相紊流燃烧过程进行数值模拟,采用代数雷诺应力模型模拟紊流粘性、EBU-二阶矩模型模拟燃烧反应速率、六通量辐射模型考虑热辐射对燃烧流场及火焰筒壁温的影响.分别运用颗粒轨道模型与颗粒随机轨道模型研究燃烧室内气液两相流动与燃烧过程,将所得出口温度分布与实验结果进行比较,均较为相符.     

炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型

本文首次用双流体一轨道（连续介质－轨道ＣＴ）模型对大尺寸四角喷燃炉内气粒两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。该模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程,对各子模型用ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型,ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ湍流燃烧模型,煤粉颗粒的水分蒸发,热解挥发和焦炭燃烧的扩散－动力模型,ＤＯ（离散坐标）辐射模型。采用了将坐标扭转一定角度的方法减小入口射流和网格斜交造成的伪扩散。编制了ＬＥＡＧＡＰ－ＦＵＲＮＡＣＥ－３程序,分别对冷态模型炉内两相流动和大尺寸炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟,并与颗粒轨道（ＳＴ）模型的模拟结果进行了对照。采用ＰＤＰＡ对冷态模型炉内气粒两相流场进行了测量。冷态两相流动的模拟与实验结果的对比表明ＣＴ模型的模拟结果和实验符合较好,ＳＴ模型所得颗粒浓度分布和实验山入较大。热态模拟的结果给出了两相速度,气相温度,组分浓度和壁面热流分布。模拟结果定性合理。模拟结果显示在出口处由于气流旋转,有一局部高温区存在。     

湍流预混滞止火焰冷态流场的实验研究

本文建立了预混滞止火焰燃烧实验装置,采用激光多普勒技术对湍流冷态流场进行了诊断。对测量的速度信息进行了分析和处理,得到了该测点的欧拉时间关联函数和积分时间尺度,并通过傅立叶转换得出湍流冷态流场的湍谱特性。该实验结果和数据处理方法为将来的热态实验提供了基础数据和技术支持。     

用非正交曲线坐标系数值计算航空发动机加力燃烧室无化学反应的湍流流场

本文采用非正交曲线坐标系下非交错网格的SIMPLE方法对航空发动机加力燃烧室无化学反应的湍流流场进行了数值计算，湍流模型采用k-ε双方程模型．差分网格采用分区方法生成，计算时对整个流场进行分区迭代直至得到收敛结果．加力燃烧室湍流流场数值计算结果合理．     

波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。基于TDLAS技术,开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作,并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证,实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H₂O、CH₄浓度二维分布测量。采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声,采用1 392,1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器,三支激光器的出光方式为时分复用,选取H₂O的7 185.6,6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线,两两组合使用,测量热态下一定范围内的温度和H₂O浓度;采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器,选取CH₄的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH₄浓度测量。实验室对测量系统可靠性进行验证,配置4%~6%范围内的CH₄气体进行测量并与实际值对比,浓度测量最大相对偏差为3.72%;在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶,充入纯水汽,计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值,温度测量最大相对偏差3.07%,浓度测量最大相对偏差为-2.00%,验证了该测量系统的可靠性。台架燃气轮机实验中,集成了一套小型化测量仪器,设计多束激光收发一体的测量结构。实验采用两个电动位移台,搭载测量结构,每间隔5 mm逐点移动采样,对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量,获取了若干工况下冷热态结果。通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图,结果分别反映了测量区域范围内CH₄和火焰分布的真实状态。为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。     

环形燃烧室内气相燃烧及两相流动计算

采用TTM法与型线定点法相结合的方式生成带涡流器环形燃烧室贴体网格,在任意曲线坐标系中对其三维两相反应流场进行数值模拟,采用的紊流、燃烧以及辐射模型分别为:标准k-ε方程,EBU-Arrhenius公式,六通量热辐射模型等。在同位网格系下气相采用SIMPLE算法求解,气液两相流动用PSIC法模拟。通过对两种燃烧室的计算结果与实验值比较表明本计算方法合理,所得的计算结果可为环形燃烧室的优化设计提供指导数据。     

模型燃气轮机燃烧室中三元两相反应流的数值计算

本文对于一种模型燃气轮机燃烧室中三元两相反应流流场进行了数值计算。在κ-ε双方程湍流模型中考虑了流线曲率的影响;在扩散火焰的k-ε-g湍流燃烧模型中采用了β函数作为混合分数f的概率密度函数;采用了6通量热辐射模型;在两相流模型中应用随机游动法考虑了颗粒的随机扩散。应用随机取样法考虑了液相的初始条件。计算预估了燃烧室中速度矢量,气相燃料浓度,液相燃料浓度,温度的分布以及油珠运动轨迹。与由实验得到的温度分布相比,表明计算是成功的。由作者发展的两相流模型有待实验进一步验证。     

基于FGM的旋流预混燃烧室超大涡模拟

针对航空发动机燃烧室等复杂工程中的预混燃烧问题发展高精度、高效的数值预测方法,本研究发展了火焰面生成流型(FGM)详细化学反应建表方法结合超大涡模拟方法(VLES),对工程中的GE LM6000预混旋流燃烧室燃烧开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了比较。计算结果表明,VLES-FGM方法可以较准确地预测出旋流预混燃烧室内的流场及温度场分布。为了进一步模拟航空发动机真实的燃烧工况,对原始单头部燃烧室使用周期性边界条件来类比全环燃烧室。计算结果表明,VLES-FGM方法计算得到的周期性燃烧室流场回流区相比较固壁边界燃烧室较小,并且固壁边界燃烧室温度场具有明显的颈部结构,燃烧室下游的高温区分布更为均匀。本文计算结果表明基于FGM燃烧模型的自适应湍流模拟方法VLES对于模拟复杂航空发动机相关的旋流预混燃烧具有很大的应用潜力。     

U-RANS／PDF方法计算钝体后漩涡脱落

本研究发展了U-RANS/PDF混合算法研究湍流和化学反应相互作用对燃烧稳定性的影响,采用有限体积和Monte Carlo相结合的方法在非结构网格中求解相容的U-RANS方程和脉动速度-湍流频率-标量的联合PDF方程.本文对钝体火焰驻定器后冷态流场进行了计算,结果表明此混合算法能够捕捉流场中非稳态的漩涡脱落现象.着重研究了湍流频率模型系数的改变对漩涡脱落频率以及拟序结构在动量输运中的作用的影响.