超聲速燃燒中可壓縮湍流燃燒模型研究.pdf

1、超聲速燃燒沖壓發(fā)動機因為能夠?qū)崿F(xiàn)高超聲速飛行(5＜Ma＜15)成為近年來的研究熱點。由于超聲速燃燒實驗測量手段復(fù)雜、實驗設(shè)備昂貴，計算流體力學(xué)方法成為研究超聲速燃燒沖壓發(fā)動機的重要手段。超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)存在復(fù)雜的激波/邊界層、激波/火焰的相互作用以及自點火、局部熄火、再點燃、火焰駐定等非定常的燃燒過程，發(fā)展超聲速燃燒模型和數(shù)值方法對研究超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)的流動和燃燒特征非常重要。本文主要開展以下幾個方面的研究:(1)發(fā)展基于化學(xué)熱力

2、學(xué)建表的可壓縮湍流燃燒模型;(2)基于發(fā)展的可壓縮火焰面進(jìn)度變量方法對超聲速支板射流DLR燃燒室的燃燒特征分別開展RANS和LES數(shù)值研究;(3)采用LES方法結(jié)合可壓縮修正的自點火燃燒模型分別研究高焓值超聲速橫側(cè)射流Gamba燃燒室的混合特性和燃燒特性。
　　超聲速流場中的可壓縮效應(yīng)如壓縮/膨脹過程產(chǎn)生的壓力、密度和溫度的變化，對化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生重要影響。因此，將低馬赫數(shù)下的化學(xué)熱力學(xué)建表方法應(yīng)用到超聲速可壓縮流時需要考慮高速流

3、體的可壓縮性。本文對化學(xué)熱力學(xué)建表模型的可壓縮修正方法進(jìn)行了深入研究。本文引入了溫度和壓力修正方法。在可壓縮化學(xué)熱力學(xué)建表方法中，通過直接求解能量方程得到溫度值，可以耦合部分可壓縮性影響;通過分析不同壓力下層流化學(xué)熱力學(xué)數(shù)據(jù)表，給出反應(yīng)進(jìn)度變量源項的壓力修正系數(shù)，對反應(yīng)進(jìn)度變量源項進(jìn)行壓力修正。此方法的優(yōu)點是能夠在不增加化學(xué)熱力學(xué)數(shù)據(jù)表的大小的基礎(chǔ)上考慮流場的壓力變化，并可以推廣應(yīng)用到采用反應(yīng)進(jìn)度變量建表的模型中;超聲速橫側(cè)射流燃燒算例

4、中，在以上溫度與壓力修正的基礎(chǔ)上，提出了修正自點火模型中初始溫度的方法，考慮燃料射流近場由于壓縮/膨脹引起溫度的不均勻分布。
　　采用可壓縮火焰面進(jìn)度變量方法對超聲速支板射流DLR燃燒室三維流場和燃燒場開展RANS和LES數(shù)值研究。相比與RANS方法，LES方法得到的冷態(tài)場中壓力分布、波系分布、速度分布以及燃燒場中波系分布、速度分布、溫度分布結(jié)果均與實驗值符合更好。LES方法可以預(yù)測超聲速中的大尺度湍流擬序結(jié)構(gòu)以及非定常的流動及燃

5、燒過程，能夠捕捉激波與邊界層的相互作用、湍流混合、火焰駐定以及熄火再燃等問題;LES結(jié)果表明，鈍體兩側(cè)剪切層內(nèi)形成了熄火再燃的不穩(wěn)定火焰，在燃燒室中心回流泡內(nèi)形成了穩(wěn)定的富燃部分預(yù)混火焰;在LES框架下，分別采用的δ與β兩種概率密度分布對反應(yīng)進(jìn)度封閉。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，假定概率密度的β分布計算結(jié)果與實驗符合較好，假定概率密度的δ分布沒有考慮反應(yīng)進(jìn)度變量的亞格子脈動，得到平均溫度偏高。因此，反應(yīng)進(jìn)度變量的亞格子脈動對預(yù)測超聲速燃燒非常重要。<

6、br>　　采用LES方法研究了超聲速橫側(cè)射流Gamba燃燒室內(nèi)的大尺度序結(jié)構(gòu)和混合特性。采用混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)分析燃料射流噴口上游回流區(qū)、射流近場以及射流遠(yuǎn)場的混合特征，并探討射流動量通量比對流場結(jié)構(gòu)、射流穿透深度、標(biāo)量分布以及混合效率的影響。結(jié)果表明，低射流動量通量比時，反向旋轉(zhuǎn)渦對CVP結(jié)構(gòu)與壁面邊界層相互作用更強烈，燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著橫向方向擴散的更快，混合效率更高?？紤]到超聲速來流溫度高于燃料的自點火溫度，采用修正的自點火燃燒