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基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

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航空发动机 2023年第4期49卷 68-79页

作者：张宏达韩省思刘太秋朱健马宏宇任祝寅中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 清华大学航空发动机研究院北京100084

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备... 详细信息

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。

关键词：燃烧室超大涡模拟气动性能数值仿真航空发动机

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冲击射流流动换热超大涡模拟研究

推进技术 2020年第10期41卷 2237-2247页

作者：宛鹏翔范俊韩省思毛军逵南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016 陆军航空兵学院陆军航空兵研究所北京101121

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问... 详细信息

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问题进行三维非稳态高精度数值计算。同时,将分离涡方法(DDES)和k-ωSST,RNG,Transition SST三种RANS方法的数值模拟和开发的超大涡模拟(VLES)方法进行对比。研究表明,VLES方法均能够准确捕捉冲击射流流场的复杂非稳态流动及传热特征,包括自由射流区、壁面射流区小尺度涡系和大尺度湍流结构的演化和破碎,同时冲击壁面的换热系数计算结果与实验值吻合较好。DDES方法未能准确捕捉流场复杂的小尺度湍流结构,壁面换热计算结果与实验值差异较大。RANS方法计算的换热结果与实验数据差异最大,基本未能预测到壁面换热特性。在相同的计算网格和计算方法下,VLES方法计算结果优于DDES方法,DDES方法一般好于RANS方法。这表明新开发的VLES方法能够准确地计算冲击射流相关的流动及换热问题。

关键词：航空发动机超大涡模拟冲击射流对流传热涡轮冷却

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基于FGM的旋流预混燃烧室超大涡模拟

工程热物理学报 2021年第5期42卷 1334-1341页

作者：夏朝阳宛鹏翔韩省思毛军逵南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

针对航空发动机燃烧室等复杂工程中的预混燃烧问题发展高精度、高效的数值预测方法,本研究发展了火焰面生成流型(FGM)详细化学反应建表方法结合超大涡模拟方法(VLES),对工程中的GE LM6000预混旋流燃烧室燃烧开展了高精度数值研究,并与... 详细信息

针对航空发动机燃烧室等复杂工程中的预混燃烧问题发展高精度、高效的数值预测方法,本研究发展了火焰面生成流型(FGM)详细化学反应建表方法结合超大涡模拟方法(VLES),对工程中的GE LM6000预混旋流燃烧室燃烧开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了比较。计算结果表明,VLES-FGM方法可以较准确地预测出旋流预混燃烧室内的流场及温度场分布。为了进一步模拟航空发动机真实的燃烧工况,对原始单头部燃烧室使用周期性边界条件来类比全环燃烧室。计算结果表明,VLES-FGM方法计算得到的周期性燃烧室流场回流区相比较固壁边界燃烧室较小,并且固壁边界燃烧室温度场具有明显的颈部结构,燃烧室下游的高温区分布更为均匀。本文计算结果表明基于FGM燃烧模型的自适应湍流模拟方法VLES对于模拟复杂航空发动机相关的旋流预混燃烧具有很大的应用潜力。

关键词：超大涡模拟火焰面生成流型湍流预混火焰旋流

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基于FGM的湍流射流扩散火焰超大涡模拟

工程热物理学报 2021年第2期42卷 529-533页

作者：夏朝阳韩省思毛军逵南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较。... 详细信息

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较。结果表明本文发展的VLES-FGM方法可以较准确地预测出湍流射流扩散火焰中的非稳态燃烧过程,且VLES湍流模拟方法对于湍流燃烧问题具有较大的应用潜力。

关键词：超大涡模拟火焰面生成流型假定概率密度函数湍流扩散火焰

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高温升燃烧室综合燃烧性能超大涡模拟

航空发动机 2020年第6期46卷 11-15页

作者：张宏达万斌张成凯林宏军尚守堂韩省思中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为了对高温升燃烧室性能进行计算分析,运用超大涡模拟方法开展数值模拟,并同步开展了雷诺平均数值模拟作为对比。计算结果表明:旋流器设计与火焰筒开孔设计的匹配合理,Rothstein提出的射流迹线公式能够合理预测主燃孔的射流穿透。超大... 详细信息

为了对高温升燃烧室性能进行计算分析,运用超大涡模拟方法开展数值模拟,并同步开展了雷诺平均数值模拟作为对比。计算结果表明:旋流器设计与火焰筒开孔设计的匹配合理,Rothstein提出的射流迹线公式能够合理预测主燃孔的射流穿透。超大涡模拟计算得到的出口径向温度分布系数的剖面曲线趋势和最大值位置均与试验结果符合较好。通过与试验结果进行定量比较发现,在相同计算网格条件下,超大涡模拟方法预测高温升燃烧室综合燃烧性能的精度明显高于雷诺平均方法的。

关键词：高温升燃烧室旋流超大涡模拟雷诺平均模拟综合燃烧性能航空发动机

基于平均流动动能输运的离心叶轮内能量损失及其机理分析

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水利学报 2022年第5期53卷 586-597页

作者：陈为升黎耀军刘竹青中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心北京100083

叶轮内能量损失是影响离心泵水力性能的关键因素,为探明离心式叶轮内的能量损失特性,本文采用可直接求解大尺度湍流结构的超大涡模拟方法对某低比转速离心叶轮三种流量(分别为1.0,0.6和0.25倍设计流量)下的内部流动进行数值模拟,基于平... 详细信息

叶轮内能量损失是影响离心泵水力性能的关键因素,为探明离心式叶轮内的能量损失特性,本文采用可直接求解大尺度湍流结构的超大涡模拟方法对某低比转速离心叶轮三种流量(分别为1.0,0.6和0.25倍设计流量)下的内部流动进行数值模拟,基于平均流动动能输运研究叶轮内的流动特征、能量损失特性及其机理。通过积分平均流动动能输运方程的直接黏性耗散项和湍动能生成项,分别计算直接黏性损失和湍动能生成对应的平均流动动能损失,建立流场特征与能量损失的关联,获得流场中能量损失的空间分布特征。结果表明,叶轮内直接黏性损失集中在近壁区,且随流量降低而显著减小;湍动能生成是平均流动动能损失的主要形式,其与叶轮内流动的剪切效应直接相关,在叶片压力面,脱流和分离涡形成强剪切流动,湍动能生成项周向-周向分量(P_(θθ))和径向-周向分量(P_(rθ))将增加周向和径向速度脉动而使湍动能增加,径向-径向分量(P_(rr))则减小速度脉动的径向分量,从而抑制平均流动动能转换为湍动能;对于叶片吸力面分离流动及叶轮出口回流所形成的强剪切流动,P_(rθ)和P_(rr)是产生湍流脉动的主导因素,P_(θθ)则对平均流动动能损失起抑制作用。

关键词：离心叶轮平均流动动能湍动能能量损失超大涡模拟

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水翼端部间隙泄漏流的压降及黏性损失机理

力学学报 2023年第10期55卷 2297-2308页

作者：向秋杰陈为升黎耀军刘竹青中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心北京100083 东北农业大学水利与土木工程学院哈尔滨150030

叶顶泄漏流产生的局部压降及黏性损失是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因.为探明间隙泄漏流的黏性损失特性和低压形成机制,以NACA0009水翼为对象,采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟,基于平均流动... 详细信息

叶顶泄漏流产生的局部压降及黏性损失是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因.为探明间隙泄漏流的黏性损失特性和低压形成机制,以NACA0009水翼为对象,采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟,基于平均流动动能转换与输运分析,提出了间隙区黏性损失定量计算模型,研究了翼端间隙区湍动能生成、黏性损失和压降的产生机理及主要影响因素.结果表明,间隙区存在间隙分离涡(TSV)、间隙泄漏涡(TLV)和诱导涡(IV)等流动结构;湍动能生成是导致TSV内压降的主导因素,TLV内压降则主要受湍动能生成和平均动能的对流和扩散效应影响;湍动能耗散导致的翼端区域黏性损失占间隙区黏性损失总量的91.2%.间隙区不同流动结构对湍动能生成的影响存在明显差异,水翼吸力面的强剪切效应主要生成湍动能的■分量,而TLV,TSV和IV等间隙涡结构则主要生成湍动能的■和■分量;湍动能产生机制分析表明,湍动能生成项分量Pvw是TLV和TSV中湍动能生成的主导因素,减小TSV和TLV内的速度梯度■,可有效降低湍动能生成,进而减少翼端区域因湍流耗散导致的黏性损失.研究结果可为间隙流动控制提供参考.

关键词：水翼超大涡模拟黏性损失压降间隙流

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水翼端部间隙泄漏流的压降及粘性损失机理

力学学报 2023年

作者：向秋杰陈为升黎耀军刘竹青东北农业大学水利与土木工程学院中国农业大学水利与土木工程学院北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心

叶顶泄漏流产生的局部压降及粘性损失，是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因。为探明间隙泄漏流的粘性损失特性和低压形成机制，本文以NACA0009水翼为对象，采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟，基... 详细信息

叶顶泄漏流产生的局部压降及粘性损失，是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因。为探明间隙泄漏流的粘性损失特性和低压形成机制，本文以NACA0009水翼为对象，采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟，基于平均流动动能转换与输运分析，提出了间隙区粘性损失定量计算模型，研究了翼端间隙区湍动能生成、粘性损失和压降的产生机理及主要影响因素。结果表明，间隙区存在间隙分离涡(TSV)、间隙泄漏涡(TLV)和诱导涡(IV)等流动结构；湍动能生成是导致TSV内压降的主导因素，TLV内压降则主要受湍动能生成和平均动能的对流和扩散效应影响；湍动能耗散导致的翼端区域粘性损失占间隙区粘性损失总量的91.2%。间隙区不同流动结构对湍动能生成的影存在明显差异，水翼吸力面的强剪切效应主要生成湍动能的分量，而TLV、TSV和IV等间隙涡结构则主要生成湍动能的和分量；湍动能产生机制分析表明，湍动能生成项分量Pvw是TLV和TSV中湍动能生成的主导因素，减小TSV和TLV内的速度梯度??z，可有效降低湍动能生成，进而减少翼端区域因湍流耗散导致的粘性损失。研究结果可为间隙流动控制提供参考。

关键词：水翼超大涡模拟粘性损失压降间隙流

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数值模拟研究燃烧室冷态流场结构

中国科学技术大学学报 2019年第11期49卷 940-946页

作者：张宏达万斌张成凯林宏军尚守堂韩省思叶桃红中国航发沈阳发动机研究所辽宁沈阳110015 南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016 中国科学技术大学热科学与能源工程系安徽合肥230027

运用超大涡模拟(VLES)方法对燃烧室冷态流场开展了数值模拟,研究流场中大尺度涡旋结构.选取圆管内有旋流动为基准算例开展数值模拟研究,与实验结果的比较验证了VLES方法的精度.计算结果表明,燃烧室内回流区形状合理.燃烧室中大孔射流与... 详细信息

运用超大涡模拟(VLES)方法对燃烧室冷态流场开展了数值模拟,研究流场中大尺度涡旋结构.选取圆管内有旋流动为基准算例开展数值模拟研究,与实验结果的比较验证了VLES方法的精度.计算结果表明,燃烧室内回流区形状合理.燃烧室中大孔射流与横向来流的相互作用形成了反向旋转涡对结构,Rothstein提出的射流迹线公式能够合理预测主燃孔的射流穿透.进动涡核(PVC)发源于燃烧室头部旋流器装置内部,基于功率谱密度预测了PVC引发流场振荡的特征频率.

关键词：燃烧室超大涡模拟旋流反向旋转涡对进动涡核