超聲速湍流擴散燃燒火焰面模型修正及應用研究.pdf

1、本文以超聲速湍流擴散燃燒現(xiàn)象為研究對象，針對超聲速湍流火焰面數(shù)據(jù)庫的預處理方法，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，利用斯坦福大學編寫的Flamemaster程序包生成層流條件下各組分的平均熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)庫，分別選取混合分數(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參數(shù)系蹤平均得到流場計算所需湍流條件下各組分平均熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合DLR支板數(shù)

2、值模擬算例對不同湍流平均熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)庫進行評價。分析標量耗散率、壓強和溫度對數(shù)據(jù)庫的影響。壓強變化會對中間產(chǎn)物產(chǎn)生較大的影響，而對主要組分影響不大。兩端初始溫度對數(shù)據(jù)庫平均熱力學參數(shù)有較大影響。結(jié)合DLR支板數(shù)值模擬算例對不同概率密度函數(shù)進行評價。從速度場和溫度場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均得出混合分數(shù)β分布的概率密度函數(shù)計算結(jié)果比混合分數(shù)δ分布的概率密度函數(shù)計算結(jié)果與實驗結(jié)果更加符合。
　　其次，選取混合分數(shù)β分布的火焰面平均熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)

3、庫預處理方法，并考慮超聲速條件下壓力在空間分布中變化較大的特點，本文提出了超聲速燃燒流場改進火焰面模型。該模型在參考壓力下建立火焰面平均熱力學參數(shù)集合，而其他壓力下的火焰面數(shù)據(jù)庫平均熱力學參數(shù)通過壓力的六階擬合多項式與參考壓力下的火焰面數(shù)據(jù)庫平均熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。由于預先進行一次多項式系數(shù)求解過程，改進火焰面模型對計算機的內(nèi)存要求較低并且數(shù)據(jù)庫查詢耗時較少。接著，引入DLR、Sunami支板噴氫算例對改進火焰面模型進行驗證，發(fā)現(xiàn)由于

4、考慮了壓力分布變化，改進火焰面模型對燃燒流場中的溫度分布影響較大，而溫度分布變化進一步影響到燃燒流場中壓力分布，發(fā)現(xiàn)改進火焰面模型計算結(jié)果與實驗匹配較好；進一步引入乙烯噴注超聲速燃燒室算例對改進火焰面模型進行驗證，發(fā)現(xiàn)由于雙邊噴注燃料混合相對充分，上凹腔劇烈燃燒產(chǎn)生的高壓將主流向下推動。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算結(jié)果燃燒流場中壓力分布非均勻性較大，因此采用改進型火焰

5、面模型的計算結(jié)果與實驗匹配較好，考慮壓力分布非均勻性影響的改進型火焰面模型在壓力變化較大條件下對超聲速燃燒流場預測更加準確。
　　最后，基于以上分析驗證的改進火焰面模型，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變化梯度較大時火焰面方程中的非定常效應，提出互動式火焰面模型。該模型通過與CFD流場計算實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)交換，流場計算程序提供參量信息傳遞給火焰面方程進行求解，然后將湍流條件下各組分的平均熱力學參數(shù)返回至 CFD

6、程序來修正流場參數(shù)(密度或溫度)等。在每一流場計算時間步內(nèi)，求解非穩(wěn)態(tài)方程的時間步可以取得非常小。并且該方法能夠?qū)⒘鲃优c化學反應解耦。根據(jù)上述預處理方法和非均勻壓力修正方法簡化火焰面方程并通過編程實現(xiàn)火焰面方程求解。對比Flamemaster程序包生成的火焰面平均熱力學參數(shù)，驗證了使用編程求解火焰面方程生成的火焰面平均熱力學參數(shù)數(shù)據(jù)庫和合理性。將編程求解火焰面方程結(jié)合在流場程序中，最后引入DLR、Sunami支板噴氫算例驗證了互動式火焰