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)動機因為能夠實現(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雜、實驗設備昂貴，計算流體力學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)動機燃燒室內存在復雜的激波/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)展基于化學熱力

2、學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如壓縮/膨脹過程產生的壓力、密度和溫度的變化，對化學反應過程產生重要影響。因此，將低馬赫數(shù)下的化學熱力學建表方法應用到超聲速可壓縮流時需要考慮高速流

3、體的可壓縮性。本文對化學熱力學建表模型的可壓縮修正方法進行了深入研究。本文引入了溫度和壓力修正方法。在可壓縮化學熱力學建表方法中，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熱力學數(shù)據(jù)表，給出反應進度變量源項的壓力修正系數(shù)，對反應進度變量源項進行壓力修正。此方法的優(yōu)點是能夠在不增加化學熱力學數(shù)據(jù)表的大小的基礎上考慮流場的壓力變化，并可以推廣應用到采用反應進度變量建表的模型中;超聲速橫側射流燃燒算例

4、中，在以上溫度與壓力修正的基礎上，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、溫度分布結果均與實驗值符合更好。LES方法可以預測超聲速中的大尺度湍流擬序結構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結果表明，鈍體兩側剪切層內形成了熄火再燃的不穩(wěn)定火焰，在燃燒室中心回流泡內形成了穩(wěn)定的富燃部分預混火焰;在LES框架下，分別采用的δ與β兩種概率密度分布對反應進度封閉。對比結果發(fā)現(xiàn)，假定概率密度的β分布計算結果與實驗符合較好，假定概率密度的δ分布沒有考慮反應進度變量的亞格子脈動，得到平均溫度偏高。因此，反應進度變量的亞格子脈動對預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射流Gamba燃燒室內的大尺度序結構和混合特性。采用混合分數(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場的混合特征，并探討射流動量通量比對流場結構、射流穿透深度、標量分布以及混合效率的影響。結果表明，低射流動量通量比時，反向旋轉渦對CVP結構與壁面邊界層相互作用更強烈，燃料的質量分數(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