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。     

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．     

QUICK格式在湍流旋流流动数值模拟中的应用

为研究不同精度的离散格式对湍流旋流流动数值模拟结果的影响,同时应用QUICK格式和混合格式对同轴射流旋流燃烧室内的湍流流动进行了数值模拟.在采用k-ε湍流模型的条件下,QUICK格式计算得到的燃烧室内气体轴向与切向速度及轴向脉动速度均方根值分布与实验数据符合较好,而混合格式给出的数值模拟结果则与实验有一定的偏差.     

旋流杯燃烧室流场的数值与试验研究

本文在任意曲线坐标系下对旋流杯环形燃烧室冷态和两相燃烧全流程流场进行数值研究。采用RNG k-ε湍流模型,EBU-Arrhenius燃烧模型和六通量辐射模型模拟湍流燃烧过程;采用颗粒轨道模型模拟两相流动。为了验证数学模型与计算方法,本文还采用PIV测量燃烧室火焰筒内冷、热态流场,利用温度耙测量燃烧室出口温度径向分布,所得的计算值与试验数据符合较好,表明所用的各数学模型合理、计算方法可行,所得研究结果可为该类燃烧室的优化设计提供有用的依据。     

应用三维LDA对同向射流煤粉预燃室流场的研究

应用三维LDA对同向射流模型燃烧室的流场进行测量,对结果进行了分析。应用k-ε湍流模型进行了数值计算,计算结果与实验结果在定性上是一致的。     

多点喷射燃烧室冷态流场特性研究

首先用可实现κ-ε湍流模型(RKE)和雷诺应力湍流模型(RSM)对双径向旋流杯下游流场进行数值模拟,并将计算结果与实验值对比.结果显示,在大部分区域计算值与实验值比较一致,RKE模型和RSM模型的最大误差分别为5%和3%,RKE模型可以用于旋流杯燃烧室计算.此后,用RKE模型对单头部燃烧室和多点喷射燃烧室的流场进行数值模拟.对于同样的燃烧室衬套结构,多点喷射燃烧室旋流器出口附近每个旋流器都有各自的回流区,并在下游逐渐融合,在主燃孔附近多点喷射燃烧室和单头部燃烧室的回流区结构类似.对于同样的多点喷射燃烧室头部,没有主燃孔时,回流区在原主燃孔位置前结束,有主燃孔时,单个的回流区在主燃孔附近又形成新的回流区.     

突扩燃烧室湍流预混反应流的数值模拟

对突扩燃烧室这一典型工程燃烧装置内的湍流预混反应流进行了数值模拟。时平均控制方程组的封闭采用k-ε湍流输运模型和EBU-Arhenius湍流反应模型。模拟结果给出了突扩燃烧室内湍流预混反应流的气体时均流场、组分浓度场与温度场的分布。通过数值模拟结果与实验的比较对EBU-Arhenius模型进行了讨论与评价。     

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。     

柴油机氮氧化物的特征时间模型

本文综合考虑湍流混合、分子扩散的作用,提出了一个新的NO生成计算模型.该模型采用化学动力学时间尺度和湍流时间尺度来考虑化学动力学和湍流混合对NO生成的影响.文中模拟了一台浅盆形燃烧室柴油机,对计算结果和实测结果进行了对比分析.研究表明,新模型计算的NO生成速率与实测结果有较好的一致性.     

基于随机数据元扩张的大气湍流相位屏数值模拟

准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手,利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法,通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟,并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明,随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合,在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时,随着相位屏网格数的增加,计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型,在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证,结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流,模拟结果与理论计算基本相同;对于强湍流则误差较为明显,相对误差最大可达40%。     

湍流模型对涡轮数值模拟结果的影响

以带试验结果的NASA单级跨音涡轮为研究对象,对NUMECA商业软件中的四种湍流模型在相同条件下进行三维、定常数值模拟,并与相应的试验结果对比,分析各湍流模型对涡轮数值模拟结果的影响.模拟结果表明:一方程的Spalart-Allmaras模型计算稳定性和解的精度都相对较高,两方程的两个模型对于算例类涡轮数值模拟精度较差.     

高温空气燃烧炉内湍流混合特性的数值研究

应用自行研发的三维流动、燃烧、传热和污染物NO_x湍流生成的数值模拟程序,对高温空气燃烧实验模型炉进行了湍流扩散燃烧混合特性的数值模拟.数值预报了燃烧室内气体燃料和空气的混合物分数及其湍流脉动的三维分布.数值研究结果表明:在一定的几何条件和气体动力学条件下,高温空气燃烧的湍流混合在更广泛的区域内以较小梯度的进行;混合物分数的脉动主要分布在燃烧区,这表明高温空气燃烧的火焰厚度更大,具有燃烧释热更趋均匀的特性.数值模拟结果与相关的实验结果有相同的规律.     

旋流燃烧室内同向和反向旋转射流湍流流动的数值模拟

针对发展高效低污染旋流燃烧技术的需要,对旋流燃烧室内两股同轴旋转射流相互作用的湍流旋流流动进行了数值模拟.计算中采用了一种新的代数Reynolds应力模型和QUICK离散格式.在两股射流同向旋转和反向旋转两种条件下,将模拟得到的燃烧室内湍流旋流流动的时均气体轴向速度场、切向速度场和静压场与实验数据进行了比较.     

聚变堆液态包层准二维磁流体湍流模型研究

为研究聚变堆氚增殖包层中液态金属湍流磁流体动力学(MHD)效应,开发了一种新的准二维单方程 MHD 湍流模型,并进行了相关数值模拟程序的编制及验证。对于矩形管道中的准二维 MHD 湍流流动,三维流 动主要发生在哈德曼层中,中心的主流区呈现出二维流动。为了反映这种特殊的流动特征,新湍流模型在标准 k-ε 模型的基础之上去掉了传统的耗散项,代之以电磁耗散项来模拟湍流 MHD 效应。同时,采用 Bradshaw 假设来对 湍流涡粘系数进行模化。为验证该湍流模型是否合理,编制了相关数值模拟程序,并利用直接数值模拟(DNS)结 果对该程序进行了校正,数值模拟结果与 DNS 结果吻合较好。计算结果表明,该湍流模型可应用于聚变堆液态 包层 MHD 湍流流动的数值模拟。     

多孔介质结构对燃烧室内流场和喷雾特性影响的数值研究

以多孔介质发动机为背景,用数值模拟方法考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响.计算基于Antohe和Lage的适用于多孔介质的κ-ε模型,其中引入了Darcy项和Forchheimer项.建立了一种可描述多孔介质随机结构的简化模型.针对燃油喷雾在不同结构多孔介质内的流场进行了数值计算.计算表明,多孔介质结构对燃烧室内燃油液滴的蒸发和混合气的形成过程具有重要的影响.     

多孔介质燃烧室内湍流气液两相流的数值研究

以多孔介质发动机为背景,用数值模拟方法考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响.建立了多孔介质随机结构的简化模型,把多孔介质视为随机分布的大量固相单元的集合.在多孔介质区域引入了Antohe和Lage提出的双方程κ-ε湍流模型.为研究喷雾液滴与多孔介质的高温壁面碰撞,引入新的喷雾模型.在模型中考虑了液滴的破碎、碰撞和合并,并且描述了喷雾和多孔介质壁面之间的相互作用.针对燃油喷雾在不同结构多孔介质内流场进行了数值计算.计算表明,喷雾与多孔介质相互作用对燃烧室内燃油液滴的蒸发、混合气的形成过程和均匀化具有重要的影响.     

低阶格式在大涡模拟计算中的适用性

采用三维Taylor-Green涡作为研究对象,利用工程中常用的低阶数值格式,研究格式本身的数值误差对大涡模拟计算的影响.结果表明:三种数值格式的数值耗散行为都与亚格子模型行为类似,即在小雷诺数下,流场比较光滑时,耗散很小,当雷诺数增加,流动转捩为湍流,流场梯度增大,耗散显著增大.对于MUSCL格式和二阶有界中心格式,在高雷诺数下,亚格子尺度模型没有明显改善计算结果,但也没有使计算结果恶化.中心格式相比其它两种格式,数值耗散最小,但是在高雷诺数湍流情况下,中心格式的数值耗散仍然主导了能量的耗散,再添加亚格子模型,计算结果反而变得稍差.对于工程中的低阶格式而言,采用中心格式计算大涡模拟是比较好的选择,而且在计算不存在稳定性问题时,采用不添加亚格子模型的隐式大涡模拟效果更好.     

双侧进气突扩燃烧室中三维湍流有施回流两相流动的数值模拟

双侧进气突扩燃烧室中三维湍流有施回流两相流动的数值模拟周力行，林文漪，廖昌明（清华大学工程力学系北京１０００８４）关键词：湍流两相流，数值模拟为提高整体式冲压发动机双侧进气突扩燃烧室火焰稳定能力，我们提出了进气管内装设有切向导角的中心管。流场显示及Ｌ...     

高温空气燃烧炉内耦合传热的数值模拟

用自行开发的三维湍流流动、燃烧、辐射传热和NO_x湍流生成的计算程序,用离散坐标方法(DOM)模拟炉内的辐射传热并与其它传热方式相耦合,与各个输运方程共同求解,对燃烧室内的温度场进行了数值模拟.通过改变高温空气的预热温度,数值分析了高温空气燃烧炉内采用燃气直接喷射技术(FDI)的温度分布特性,检验了所采用的耦合数值模拟技术的有效性.模拟计算结果表明,提高空气预热温度,炉内温度的峰值相应增大,温度梯度降低,温度分布更均匀,火焰更长.相关的实验结果与数值预报的结果对比表明了相一致的规律.     

煤粉旋风燃烧过程流场特性研究

煤粉旋风燃烧器可用于工业加热过程,实现以煤代油,本论文根据旋流燃烧流动特点,采用能考虑非均向湍流应力的雷诺应力模型,对煤粉旋风燃烧器内气流流动过程场进行数值模拟计算,流场计算结果表明,燃烧室几何参数对其内部的流动特性有很大的影响。计算结果与流场实验测试相吻合。