超音速湍流燃燒的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著人類文明的進(jìn)步，人類活動(dòng)的范圍越來(lái)越廣。新一代遠(yuǎn)距離民用航空運(yùn)輸工具的發(fā)展，有賴于高效、清潔的超音速燃燒裝置的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為了進(jìn)行科學(xué)研究的重要手段，并且有著高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)。隨著大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，用直接數(shù)值模擬(DNS)方法研究超音速燃燒問(wèn)題已經(jīng)具有了可行性。DNS方法可以求解細(xì)微的湍流尺度和火焰尺度，能夠?yàn)樯钊肜斫獬羲偃紵械膹?fù)雜物理現(xiàn)象提供幫助，為RANS或者LES中使用到混合和燃

2、燒模型的驗(yàn)證和發(fā)展提供支持。本文對(duì)三維超音速湍射流火焰進(jìn)行了直接模擬(DNS)研究。
　　首先，本文改進(jìn)了三維耦合的特征邊界條件，推導(dǎo)了三維的可壓縮反應(yīng)流特征體系，并結(jié)合詳細(xì)的熱物性、傳遞物性參數(shù)、有波帶優(yōu)化性質(zhì)的WENO格式和八階中心差分格式，發(fā)展出了計(jì)算超音速湍流燃燒的高精度直接數(shù)值模擬算法，開(kāi)發(fā)了適用于大規(guī)模并行的計(jì)算程序。
　　其次，作者使用本文開(kāi)發(fā)的程序，對(duì)一維預(yù)混火焰、一維激波管問(wèn)題、二維風(fēng)洞中的超音速臺(tái)階流、二

3、維渦與正激波的相互作用、三維球形激波、三維射流進(jìn)行了計(jì)算，并和收斂解、經(jīng)典解或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，證實(shí)了本算法對(duì)細(xì)微火焰尺度、激波結(jié)構(gòu)、湍流問(wèn)題等有著高精度的計(jì)算能力。
　　使用本文發(fā)展的程序，作者對(duì)一個(gè)馬赫數(shù)為1.2，雷諾數(shù)為22000的超音速射流火焰進(jìn)行了直接數(shù)值模擬。計(jì)算使用了9.72億網(wǎng)格，在2000顆運(yùn)算核心上，進(jìn)行了約500萬(wàn)cpu小時(shí)的計(jì)算。本文對(duì)火焰的流場(chǎng)特征、火焰的特征結(jié)構(gòu)、穩(wěn)燃機(jī)理、渦結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)燃機(jī)理、爆燃

4、波與激波結(jié)構(gòu)、渦運(yùn)動(dòng)與燃燒的相互影響等進(jìn)行了分析和論證。
　　超音速射流火焰的整體結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)區(qū)域：近似層流的火焰底部；溫度較低、燃燒強(qiáng)度較高的劇烈混合區(qū)；燃燒強(qiáng)度逐漸變?nèi)醯倪h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。由于可壓縮性的作用，火焰的半寬發(fā)展較緩慢，超音速射流火焰的流向速度徑向分布曲線進(jìn)入自相似區(qū)較慢。
　　以自燃標(biāo)志性組分HO2在高溫組分OH上游聚集和高的Da值為特征，在高溫度、低標(biāo)量耗散率的貧燃區(qū)發(fā)生的自燃是火焰底部實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃的主要機(jī)理。通過(guò)

5、調(diào)節(jié)伴隨流溫度、速度、射流入口條件，可以調(diào)節(jié)火焰的抬升高度。通過(guò)火焰標(biāo)識(shí)分析，我們發(fā)現(xiàn)火焰底部的自燃屬于非預(yù)混燃燒。在整個(gè)火焰區(qū)域，當(dāng)量混合分?jǐn)?shù)面附近大都屬于非預(yù)混燃燒。另外一個(gè)非預(yù)混燃燒區(qū)分布在音速面爆燃區(qū)的附近。兩個(gè)非預(yù)混燃燒區(qū)之間分布的是預(yù)混燃燒區(qū)。在劇烈混合區(qū)，預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒都很劇烈，預(yù)混燃燒對(duì)總的熱量釋放率的貢獻(xiàn)約為35％。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，燃燒以外圍擴(kuò)散燃燒為主，對(duì)總的熱量釋放率的貢獻(xiàn)最多，約占80％。
　　本文證實(shí)了超

6、音速射流火焰的進(jìn)場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)中三維流向渦結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位，沒(méi)有明顯的渦環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。當(dāng)湍流充分發(fā)展后，徑向和周向的渦結(jié)構(gòu)也變的豐富。為了促進(jìn)燃料的混合，我們可以增加適當(dāng)?shù)臋C(jī)理或者設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膰娍谛螤睿龠M(jìn)流向渦的發(fā)展。本文還給出了超音速反應(yīng)流中緩燃波和爆燃波的形態(tài)。緩燃波的壓縮波在上游，爆燃波的壓縮波在下游。由于湍流和爆燃波的作用，激波面變的非常褶皺，甚至出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生散落的“小激波”和超音速“孤島”。由于混合在超音速區(qū)域受到限制，射流核心的破碎

7、，有利于燃料和氧化劑的混合。
　　本文還研究了渦運(yùn)動(dòng)和燃燒的相互作用。在超音速射流火焰低速區(qū)(ζ=0.0983和ζ=0.2)，高的壓縮功率和高的膨脹功率，都對(duì)應(yīng)著較高的熱量釋放率，總熱量釋放率主要由壓縮(或者膨脹)功率幅值約為1 Jmm-3s-1的樣本所貢獻(xiàn)，這個(gè)值和熱量釋放率在一個(gè)量級(jí)。在低速區(qū)，燃燒與渦的作用主要表現(xiàn)為高熱量釋放率帶來(lái)的渦膨脹。在高速區(qū)(ζ=0.8和ζ=9)，高壓縮功率幅值，對(duì)應(yīng)著高的熱量釋放率；高膨脹功率幅值