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基于释热率分析的钝体贫油熄火过程分析

北京航空航天大学学报 2022年第3期48卷 473-484页

作者：邢竞文金捷王方北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100083 北京航空航天大学江西研究院南昌330096 北京航空航天大学成都航空动力创新研究院成都611930

针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程,采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法,研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况,定量分析熄火判据。结果表明:... 详细信息

针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程,采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法,研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况,定量分析熄火判据。结果表明:冷态速度模拟结果和实验的相对均方根误差在10%以内,热态误差在20%以内;释热率是否出现在OH和CH;O重叠的区域,是判断熄火的一个重要参数;远离熄火时,释热率高的区域主要沿内侧剪切层出现;近熄火工况下,释热率在流向轴上闭合,回流区下游也出现较大的释热率;熄火点工况下,较大释热率的区域在回流区下游和上游均有出现;模拟预测的熄火情况和实验PLIF结果一致;平均释热率可作为判断熄火的定量依据,即当钝体后方0.2d处内侧剪切层平均释热率与回流区平均释热率的比值小于4时,发生熄火。

关键词：释热率(HRR) 贫油熄火边界预测大涡模拟(LES) 输运方程概率密度函数(TPDF) 湍流燃烧

基于曲线坐标系浸没边界方法的折流燃烧室模拟

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推进技术 2023年第5期44卷 118-130页

作者：王煜栋王方甘甜金捷北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学江西研究院江西南昌330096 北京航空航天大学成都航空动力创新研究院四川成都611930

航空发动机折流燃烧室几何结构复杂,其高保真数值模拟需要高效的网格与边界条件处理方法。采用曲线坐标系隐式浸没边界方法结合大涡模拟-概率密度函数输运方程湍流燃烧模型开发自研软件,并实现WP11中折流燃烧室的高保真模拟。流动模拟... 详细信息

航空发动机折流燃烧室几何结构复杂,其高保真数值模拟需要高效的网格与边界条件处理方法。采用曲线坐标系隐式浸没边界方法结合大涡模拟-概率密度函数输运方程湍流燃烧模型开发自研软件,并实现WP11中折流燃烧室的高保真模拟。流动模拟中准确解析了该燃烧室中的三股主要气流,且三股气流分别约占进口流量的75%,12.5%和12.5%。两相燃烧模拟中针对拉格朗日框架下的液滴运动和欧拉框架下的湍流燃烧采用不同网格标记,模拟得到的出口径向温度分布规律与实验一致,平均相对误差为17.95%,表明基于本方法开发的自研软件能准确模拟折流燃烧室中的两相湍流燃烧现象。

关键词：数值模拟浸没边界方法大涡模拟概率密度函数输运方程湍流燃烧模型折流燃烧室

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基于LES的射流火焰湍流辐射交互作用研究

北京航空航天大学学报 2023年

作者：宋绪光金捷王方北京航空航天大学江西研究院北京航空航天大学成都航空动力创新研究院北京航空航天大学能源与动力工程学院

在大涡模拟中，研究了亚格子湍流辐射交互作用(SGS-TRI)对Sandia Flame D和Flame 4D(Scaled Sandia flame D)辐射源项的影响。模拟中，采用概率密度函数输运方程(TPDF)湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程，球谐函数(P1近似)法、灰气体加权和... 详细信息

在大涡模拟中，研究了亚格子湍流辐射交互作用(SGS-TRI)对Sandia Flame D和Flame 4D(Scaled Sandia flame D)辐射源项的影响。模拟中，采用概率密度函数输运方程(TPDF)湍流燃烧模型模拟湍流燃烧过程，球谐函数(P1近似)法、灰气体加权和模型(WSGGM)模拟辐射换热。采用湍流涡团光学薄脉动近似(OTFA)处理滤波吸收项，分别采用考虑和忽略SGS-TRI的方法求解滤波发射项。结果显示，SGS-TRI仅在辐射源项本身数值较小的区域对时均辐射源项有相对较大的影响(最大为25%)；考虑和忽略SGS-TRI计算得到的时均温度以及CO2浓度等径向分布基本重合(相对差别小于3%)。因此，亚格子湍流辐射交互作用对无碳烟湍流射流火焰(Flame D和Flame 4D)的影响较小。

关键词：湍流辐射交互作用亚格子大涡模拟概率密度函数输运方程模型辐射传热

AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验

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航空动力学报 2022年第10期37卷 2310-2323页

作者：王煜栋王方周佳伟金捷北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机数值仿真研究中心北京100191 北京航空航天大学成都航空动力创新研究院成都611930 北京航空航天大学江西研究院南昌330096

针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求,基于浸没边界方法(IBM)及大涡模拟-输运概率密度函数湍流燃烧模型(LES-TPDF)开发软件AECSC-IBM,用网格标记映射燃烧室真实几何结构。通过模拟双旋流燃烧室算例和Sandia射流火焰算例检验湍流... 详细信息

针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求,基于浸没边界方法(IBM)及大涡模拟-输运概率密度函数湍流燃烧模型(LES-TPDF)开发软件AECSC-IBM,用网格标记映射燃烧室真实几何结构。通过模拟双旋流燃烧室算例和Sandia射流火焰算例检验湍流流动和燃烧的模拟精度。在双旋流燃烧室模拟中,旋流器出口时均轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%和15.0%。在射流火焰的模拟中,Flame-E和Flame-F的温度、燃料质量分数平均相对误差分别为14.69%、5.22%和14.18%、5.54%。进一步将AECSC-IBM软件应用于某真实结构单头部燃烧室算例,模拟得到出口温度与实验数据相比方均根误差为11.66%。算例检验表明AECSC-IBM软件能快速精确映射几何模型,大幅减少复杂几何高质量网格生成工作量,高效准确地模拟航空发动机燃烧室内的两相湍流燃烧现象,模拟结果可为燃烧室精细化研发提供燃烧场数据参考,具有工程实用价值。

关键词： AECSC-IBM软件大涡模拟(LES) 输运概率密度函数方程(TPDF) 浸没边界方法(IBM) 燃烧室数值模拟

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航空煤油多液滴蒸发特性实验

清华大学学报（自然科学版） 2024年第1期64卷 63-74页

作者：王方韩琪炜李典望金捷北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学江西研究院南昌330096 北航成都航空动力创新研究院成都611930

燃烧室中燃料经喷油嘴或甩油盘等装置破碎、雾化成含有密集微小液滴的液滴群,液滴群在燃烧室的高温对流环境中先蒸发,而后与高压空气混合燃烧。该文开展了多液滴蒸发实验,旨在解决以往研究中以单液滴蒸发代替实际工况中液滴群蒸发产生... 详细信息

燃烧室中燃料经喷油嘴或甩油盘等装置破碎、雾化成含有密集微小液滴的液滴群,液滴群在燃烧室的高温对流环境中先蒸发,而后与高压空气混合燃烧。该文开展了多液滴蒸发实验,旨在解决以往研究中以单液滴蒸发代替实际工况中液滴群蒸发产生的忽略液滴间相互作用的问题,为多液滴蒸发数值模拟理论提供实验数据支撑。该研究使用高速摄影机拍摄石英纤维悬挂的航空煤油液滴在高温400、500和600℃静止工况下蒸发的过程,并处理特定帧数的图片得到液滴蒸发特性曲线;多液滴蒸发实验中选择的液滴间距范围为1~4倍液滴直径。结果表明:多液滴的平均蒸发速率随着液滴间距的增大而增大,最终趋近于单液滴的平均蒸发速率,且近似成指数规律;液滴间距超过临界间距时,双液滴可看作2个独立的单液滴,此时的平均蒸发速率与单液滴平均蒸发速率基本没有区别;当2个液滴足够接近时,双液滴的平均蒸发速率降到单液滴的80%~90%。随着温度升高,液滴之间的影响距离会增大。该文得到了双液滴和三液滴蒸发的实验数据,以及双液滴关于液滴间距和温度的经验公式,实验结果与理论分析结论相吻合,为多液滴蒸发模型提供了实验数据支撑和理论创新依据。

关键词：航空煤油双液滴蒸发特性落滴法可变液滴间距

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基于机器学习的煤油液滴蒸发模型探索

航空动力学报 2023年第8期38卷 1956-1964页

作者：王方韩琪炜蔡江涛李典望甘甜金捷北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机数值仿真研究中心北京100191 北京航空航天大学江西研究院南昌330096 北京航空航天大学成都航空动力创新研究院四川彭州611930

基于厚交换层液滴蒸发理论以及煤油的实验数据,通过机器学习理论中的线性回归、随机森林、支持向量机、极致梯度提升回归和全连接神经网络方法构建煤油液滴的蒸发模型,检验新构建模型的适用范围和精度。对比实验数据和传统模型、机器学... 详细信息

基于厚交换层液滴蒸发理论以及煤油的实验数据,通过机器学习理论中的线性回归、随机森林、支持向量机、极致梯度提升回归和全连接神经网络方法构建煤油液滴的蒸发模型,检验新构建模型的适用范围和精度。对比实验数据和传统模型、机器学习蒸发模型的预测结果,发现随机森林方法和极致梯度提升回归方法生成的蒸发模型不能合理外推,支持向量机方法的外推效果欠佳。线性回归的厚交换层模型和全连接神经网络模型的整体效果更好,与训练数据的均方误差分别为2.71×10^(−2)和1.81×10^(−3)。基于深度学习模型良好的预测效果,可以构建基于实验数据的、可以合理外推的“数字蒸发模型”,可能有更好的现实适应能力。机器学习液滴蒸发模型丰富了现有液滴蒸发模型,为机器学习液滴蒸发模型研究打基础。

关键词：液滴蒸发模型煤油液滴机器学习神经网络拟合能力外推能力

CO与H_(2)氧化释热对煤油V型钝体稳焰器回流特性的影响

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推进技术 2022年第12期43卷 252-261页

作者：沈硕金捷蔡江涛宋绪光王方北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机数值仿真研究中心北京100191 北京航空航天大学江西研究院江西南昌330096 北京航空航天大学成都航空动力创新研究院四川成都611930

针对高速、贫氧的加力燃烧室流动特性,应用大涡模拟-输运概率密度函数方法(LES-TPDF)结合三种航空煤油机理,在来流马赫数为0.1的条件下,对一种V型钝体稳焰器进行两相燃烧流场的计算。结果表明,不同化学机理模拟的回流特性差异大,剪切层... 详细信息

针对高速、贫氧的加力燃烧室流动特性,应用大涡模拟-输运概率密度函数方法(LES-TPDF)结合三种航空煤油机理,在来流马赫数为0.1的条件下,对一种V型钝体稳焰器进行两相燃烧流场的计算。结果表明,不同化学机理模拟的回流特性差异大,剪切层湍动能强度与回流区长度不同。由释热分析发现,钝体燃烧CO或H_(2)氧化强烈,过弱的氧化使剪切层释热率低、掺混弱,因此湍动能小,CO和H_(2)在回流区积累并缓慢反应、延长回流。本文统计不同机理的反应放热量,发现Kundu机理的CO,H_(2)氧化放热之和仅占总过程的25.30%。而反应强的骨架机理与JL4机理放热占比达到50.50%与87.16%,回流吻合实验,适用于当前工况的研究。

关键词： V型钝体稳焰器煤油化学机理回流流动释热率 LES-TPDF 两相扩散火焰

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不同反应机理的火焰面模型模拟射流火焰

航空动力学报 2022年第11期37卷 2465-2478页

作者：王方蔡江涛张健金捷北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机数值仿真研究中心北京100191 北京航空航天大学江西研究院南昌330096 北京航空航天大学成都航空动力创新研究院成都611930 清华大学航空发动机研究院北京100084

用一维火焰分析并构建火焰面数据库,基于稳态层流火焰面(SLFM)模型分析不同化学反应机理对火焰面数据库及模拟结果的影响。基于大涡模拟(LES)程序AECSC(aero engine combustor simulation code)软件,SLFM模型结合DRG(direct relation gr... 详细信息

用一维火焰分析并构建火焰面数据库,基于稳态层流火焰面(SLFM)模型分析不同化学反应机理对火焰面数据库及模拟结果的影响。基于大涡模拟(LES)程序AECSC(aero engine combustor simulation code)软件,SLFM模型结合DRG(direct relation graph)方法简化机理、Smooke机理、GRI 3.0详细机理模拟高雷诺数甲烷射流Flame D、E、F火焰,其中GRI 3.0机理的温度平均值和脉动值与实验数据最接近。相比LES-概率密度函数输运方程湍流燃烧(TPDF)模型,LES-SLFM方法计算速度快,整体精度接近TPDF计算结果。对化学机理影响火焰面数据库,从而影响模拟时间和精度的原因进行了系统分析。LES-SLFM模型结合详细机理速度快、精度合适,未来可以进一步用燃烧室算例检验,具有应用的潜力和发展价值。

关键词：高雷诺数湍流火焰层流稳态火焰面模型大涡模拟湍流射流火焰 AECSC软件

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压气机流动稳定性自适应控制方法研究进展

力学学报 2022年第3期54卷 559-576页

作者：许登科董旭徐瑞泽李佳孙大坤孙晓峰北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191 北京航空航天大学杭州创新研究院杭州310023

压气机流动稳定性自适应控制是未来智能航空发动机的一项关键技术.基础研究需要回答3个关切:如何描述系统的稳定性?如何改变系统的稳定性?如何监测系统的稳定性?为此,本团队在压气机流动稳定性通用理论、壁面阻抗边界扩稳方法和在线实... 详细信息

压气机流动稳定性自适应控制是未来智能航空发动机的一项关键技术.基础研究需要回答3个关切:如何描述系统的稳定性?如何改变系统的稳定性?如何监测系统的稳定性?为此,本团队在压气机流动稳定性通用理论、壁面阻抗边界扩稳方法和在线实时失速预警技术等3个方面开展了系统深入的研究工作.(1)所发展的叶轮机流动稳定性通用理论既能包含流动非均匀性又能考虑叶片几何,计算高效,预测精度高,为压气机气动/稳定性一体化设计提供了可靠的评估工具.(2)所发展的基于壁面阻抗边界调控策略的SPS(stall precursor-suppressed)机匣处理和泡沫金属机匣处理在扩稳、降噪和保持系统气动性能方面取得实质性进展,采用等价分布源方法建立了包含机匣处理影响的压气机失速起始预测模型,对SPS机匣处理和泡沫金属机匣处理关键结构参数进行敏感性分析,使其具有明确的理论设计准则.实验结果证实,SPS机匣处理通过抑制失速先兆波的非线性演化达到扩稳的目的,在扩稳的同时可以保持压气机的压比和效率特性;泡沫金属机匣处理可以实现扩稳和降噪的双重效果,也具有良好的工程应用前景.(3)所发展的基于气动声学原理的实时失速预警方法将压气机失速预警时间提高到秒量级以上,能够在线监测系统稳定性.综合上述理论预测方法、扩稳技术和实时失速预警技术,发展了闭环反馈自适应控制方法,为未来智能航空发动机提供了一种自适应扩稳控制技术.

关键词：智能航空发动机流动稳定性机匣处理泡沫金属失速预警