超聲速湍流擴(kuò)散燃燒火焰面模型修正及應(yīng)用研究.pdf

1、本文以超聲速湍流擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象為研究對(duì)象，針對(duì)超聲速湍流火焰面數(shù)據(jù)庫的預(yù)處理方法，考慮空間上壓力分布非均勻性的火焰面模型修正，以及代表性互動(dòng)式火焰面模型構(gòu)建過程等方面開展研究。
　　首先，利用斯坦福大學(xué)編寫的Flamemaster程序包生成層流條件下各組分的平均熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，分別選取混合分?jǐn)?shù)β分布和δ分布概率密度函數(shù)將層流條件下各組分的平均熱力學(xué)參數(shù)系蹤平均得到流場(chǎng)計(jì)算所需湍流條件下各組分平均熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合DLR支板數(shù)

2、值模擬算例對(duì)不同湍流平均熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析標(biāo)量耗散率、壓強(qiáng)和溫度對(duì)數(shù)據(jù)庫的影響。壓強(qiáng)變化會(huì)對(duì)中間產(chǎn)物產(chǎn)生較大的影響，而對(duì)主要組分影響不大。兩端初始溫度對(duì)數(shù)據(jù)庫平均熱力學(xué)參數(shù)有較大影響。結(jié)合DLR支板數(shù)值模擬算例對(duì)不同概率密度函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。從速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)平均得出混合分?jǐn)?shù)β分布的概率密度函數(shù)計(jì)算結(jié)果比混合分?jǐn)?shù)δ分布的概率密度函數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加符合。
　　其次，選取混合分?jǐn)?shù)β分布的火焰面平均熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)

3、庫預(yù)處理方法，并考慮超聲速條件下壓力在空間分布中變化較大的特點(diǎn)，本文提出了超聲速燃燒流場(chǎng)改進(jìn)火焰面模型。該模型在參考?jí)毫ο陆⒒鹧婷嫫骄鶡崃W(xué)參數(shù)集合，而其他壓力下的火焰面數(shù)據(jù)庫平均熱力學(xué)參數(shù)通過壓力的六階擬合多項(xiàng)式與參考?jí)毫ο碌幕鹧婷鏀?shù)據(jù)庫平均熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。由于預(yù)先進(jìn)行一次多項(xiàng)式系數(shù)求解過程，改進(jìn)火焰面模型對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存要求較低并且數(shù)據(jù)庫查詢耗時(shí)較少。接著，引入DLR、Sunami支板噴氫算例對(duì)改進(jìn)火焰面模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)由于

4、考慮了壓力分布變化，改進(jìn)火焰面模型對(duì)燃燒流場(chǎng)中的溫度分布影響較大，而溫度分布變化進(jìn)一步影響到燃燒流場(chǎng)中壓力分布，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)火焰面模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)匹配較好；進(jìn)一步引入乙烯噴注超聲速燃燒室算例對(duì)改進(jìn)火焰面模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)由于雙邊噴注燃料混合相對(duì)充分，上凹腔劇烈燃燒產(chǎn)生的高壓將主流向下推動(dòng)。由于單邊集中噴注燃料混合不充分，底部凹腔燃燒較弱，溫度和壓力也較弱。，研究發(fā)現(xiàn)由于雙邊噴注方案計(jì)算結(jié)果燃燒流場(chǎng)中壓力分布非均勻性較大，因此采用改進(jìn)型火焰

5、面模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)匹配較好，考慮壓力分布非均勻性影響的改進(jìn)型火焰面模型在壓力變化較大條件下對(duì)超聲速燃燒流場(chǎng)預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。
　　最后，基于以上分析驗(yàn)證的改進(jìn)火焰面模型，在早期的層流穩(wěn)態(tài)火焰面模型基礎(chǔ)上考慮到瞬態(tài)火焰面χst變化梯度較大時(shí)火焰面方程中的非定常效應(yīng)，提出互動(dòng)式火焰面模型。該模型通過與CFD流場(chǎng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，流場(chǎng)計(jì)算程序提供參量信息傳遞給火焰面方程進(jìn)行求解，然后將湍流條件下各組分的平均熱力學(xué)參數(shù)返回至 CFD

6、程序來修正流場(chǎng)參數(shù)(密度或溫度)等。在每一流場(chǎng)計(jì)算時(shí)間步內(nèi)，求解非穩(wěn)態(tài)方程的時(shí)間步可以取得非常小。并且該方法能夠?qū)⒘鲃?dòng)與化學(xué)反應(yīng)解耦。根據(jù)上述預(yù)處理方法和非均勻壓力修正方法簡(jiǎn)化火焰面方程并通過編程實(shí)現(xiàn)火焰面方程求解。對(duì)比Flamemaster程序包生成的火焰面平均熱力學(xué)參數(shù)，驗(yàn)證了使用編程求解火焰面方程生成的火焰面平均熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫和合理性。將編程求解火焰面方程結(jié)合在流場(chǎng)程序中，最后引入DLR、Sunami支板噴氫算例驗(yàn)證了互動(dòng)式火焰