超聲速燃燒中湍流模型的研究.pdf

1、超聲速燃燒沖壓發(fā)動機(Scramjet)的研究近年來備受關注。由于實驗方面投資較大以及測試手段的限制，數(shù)值模擬成為重要的研究工具。本文針對數(shù)值模擬中湍流模型這一重要因素進行研究，主要做了以下幾個方面的工作：發(fā)展了四個具有更高計算精度的廣義可壓縮性修正k-ε湍流模型：研究并發(fā)展了聯(lián)合RANS/LES方法用來模擬非穩(wěn)態(tài)湍流流動；對多種復雜的超聲速流動、超聲速燃燒問題進行了深入研究；提出了利用分流技術強化超聲速燃燒的技術。 以往RAN

2、S湍流模型可壓縮性修正研究集中在膨脹可壓縮性修正的?；@一部分。在國外基礎研究方面取得的最新初步研究成果基礎上，本文引進并發(fā)展了其它部分的廣義上的可壓縮性修正，即結構可壓縮性修正及激波不穩(wěn)定性修正。在標準k-ε湍流模型基礎上，耦合以往的膨脹可壓縮性修正，發(fā)展了四個廣義可壓縮性修正的k-ε湍流模型。以可壓縮混合層為基礎，前兩個模型中發(fā)展了結構可壓縮性修正模型，用來抑制過大的湍流動能增長，能夠很好地預測到混合層受抑制的發(fā)展趨勢。后兩個修正模

3、型除了耦合研究已經(jīng)較成熟的膨脹可壓縮性模型，又從另外的角度出發(fā)，發(fā)展了激波不穩(wěn)定性修正模型，用來抑制激波區(qū)域內過大的湍流動能產生。由于后面這兩個修正模型綜合考慮了自由發(fā)展的混合層中的可壓縮性效應以及強間斷激波的不穩(wěn)定性脈動兩部分效應，計算精度得到了進一步提高，尤其是顯著提高了對高速流動中流體分離現(xiàn)象的模擬精度。結果初步表明，其中一個修正模型對流體分離的預測優(yōu)于工程中廣泛使用的k-ω SST湍流模型。 聯(lián)合RANS/LES方法既能

4、保證明顯改善RANS方法的計算精度，又能明顯降低LES方法的計算量，是很有潛力的一種方法。針對由模型參數(shù)控制計算分區(qū)的這一類RANS/LES方法，本文研究了多種不同形式的聯(lián)合方法。理論上推導出參考長度尺度為湍流積分長度尺度的聯(lián)合方法本質上是一致的，與LES方法中應用很廣的Smagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型本質上相同。而以Kolmogorov長度尺度為參考尺度的聯(lián)合方法，依據(jù)計算條件不同，可從RANS模擬直接過渡到DNS模擬。提出了一個

5、采用指數(shù)形式構造的聯(lián)合RANS/LES方法。應用聯(lián)合RANS/LES方法研究了經(jīng)典的方柱繞流流動以及超聲速混合層流動。 對發(fā)展的四個可壓縮性修正的k-ε湍流模型進行了驗證，并應用這些模型研究了一些復雜的超聲速流動、燃燒現(xiàn)象。計算了超聲速混合層、超聲速后臺階、跨聲速凸包流動、超聲速橫側射流等復雜流動，以及超聲速受壁面限制混合層燃燒、超聲速橫側射流燃燒等工況。驗證了四個修正模型的計算精度并對比分析了四個修正模型的優(yōu)缺點。研究了可壓縮

6、性(包括膨脹可壓縮性、結構可壓縮性以及激波不穩(wěn)定性)對混合層發(fā)展的抑制和對流體分離的強化，以及這些效應在燃燒工況下對超聲速燃燒特性的影響。 壁面入射是燃料進入超聲速燃燒室最基本的一種入射方式。研究了這種方式下形成的超聲速橫側射流流場。根據(jù)流場特性，提出了利用分流強化超聲速燃燒的技術，即利用一個通道連通燃料入射孔的上下游，將上游高壓流體部分分流到下游低壓區(qū)，通過改變流場結構，達到強化燃燒的目的。研究內流及外流兩種情況下，燃料具有不