超聲速湍流燃燒多物理耦合的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、超聲速湍流燃燒中存在著湍流、激波、燃燒波等諸多復(fù)雜物理場的相互作用，本文基于高精度直接數(shù)值模擬理論，發(fā)展了適合大規(guī)模并行運算的超聲速湍流流動燃燒直接數(shù)值模擬計算平臺，分別對正激波、爆轟波與各向同性湍流相互作用、超聲速單相和氣液兩相湍流射流燃燒進行了對比研究，以揭示超聲速湍流燃燒中的湍流-激波-火焰-液滴間多物理場耦合作用的基本規(guī)律。
　　本文對正激波和各向同性湍流干涉現(xiàn)象進行了直接數(shù)值模擬，以研究湍流和激波的相互作用機理。研究發(fā)現(xiàn)

2、湍流受到激波的強壓縮作用，各方向的速度脈動和渦量脈動得到增強，且呈現(xiàn)出強各向異性狀態(tài)，下游湍流逐漸向各向同性恢復(fù);湍流渦結(jié)構(gòu)流向上被強烈壓縮，尺度減小;激波表面在湍流作用下變得褶皺，且激波表面運動與上游的速度脈動的相關(guān)性最大。對不同湍流脈動強度來流和激波相互作用研究發(fā)現(xiàn)激波前后湍流雷諾應(yīng)力的增加量隨著湍流強度的增加而減小，湍流尺度減小量也減小，下游湍流向各向同性恢復(fù)更快;隨著來流湍流脈動強度的增大，激波表面更加的褶皺，甚至流場中正激波結(jié)

3、構(gòu)被破壞，形成激波“洞”結(jié)構(gòu)。
　　本文對各向同性湍流和爆轟波的相互作用進行了模擬，以研究湍流-激波-火焰的相互作用機理。分別對無湍流脈動，不同渦脈動強度，熵脈動來流下馬赫數(shù)為3的爆轟波的發(fā)展進行了比較研究，研究發(fā)現(xiàn)爆轟波的傳播呈現(xiàn)出典型的三波結(jié)構(gòu):馬赫干、入射激波、橫波，橫波和三波點周期性運動形成爆轟波胞格結(jié)構(gòu)，渦脈動和熵脈動作用下爆轟波面發(fā)生褶皺，而三波點的周期性運動和碰撞并沒有改變，但周期被延長，胞格長度略微增大。三波點碰撞

4、時產(chǎn)生兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的渦，在渦旋的卷吸作用下，反應(yīng)物被帶入反應(yīng)區(qū)，形成未完全反應(yīng)氣團。相對于無反應(yīng)的湍流和激波相互作用，湍流和爆轟波相互作用后雷諾應(yīng)力增強幅值更大。不同湍流強度的來流作用下，爆轟波胞格結(jié)構(gòu)變化不大，爆轟波后流體的脈動主要受到三波點碰撞產(chǎn)生的大尺度漩渦結(jié)構(gòu)的影響。馬赫數(shù)為4時爆轟波更不穩(wěn)定，胞格結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，入口的湍流脈動對爆轟波結(jié)構(gòu)的影響更為復(fù)雜。
　　本文基于三維空間發(fā)展的超聲速射流抬升火焰的直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

5、庫，對超聲速湍流燃燒小火焰模型、條件矩模型進行了研究。DNS結(jié)果顯示出與小火焰計算結(jié)果較好的一致性;對于超聲速火焰計算，應(yīng)先求解總能量，再從總能和組分場來計算溫度，以更好地考慮可壓縮效應(yīng)的影響。采用DNS數(shù)據(jù)對條件矩模型中未封閉項的子模型進行分析和驗證發(fā)現(xiàn)，混合分數(shù)的概率分布基本符合假定的截斷的高斯分布和β分布。線性模型可以用來對于軸向速度的預(yù)測。Girimaji模型對條件平均標量耗散率的預(yù)測結(jié)果與DNS結(jié)果在火焰的上游一致。下游AMC

6、模型對標量耗散率的預(yù)測偏差更小。反應(yīng)源項的一階封閉相比DNS結(jié)果偏差較大，需采用高階封閉或雙條件矩模型。
　　本文對超聲速氣液兩相湍流射流火焰進行了直接數(shù)值模擬，研究火焰中存在的湍流-火焰-液滴蒸發(fā)之間的耦合作用機理。分別對僅有蒸發(fā)無反應(yīng)工況NR、反應(yīng)工況R1和二倍的燃料供給的反應(yīng)工況R2進行了模擬研究。兩相火焰與氣相火焰相比，兩相火焰面上因液滴蒸發(fā)而存在局部的低溫區(qū)域，火焰面形成更多的條帶結(jié)構(gòu)及離散的火焰團。燃燒場中同時存在預(yù)混

7、和擴散火焰，預(yù)混火焰對總體釋熱的比重隨著下游發(fā)展逐漸增大到50％以上。對無反應(yīng)工況NR和反應(yīng)工況R1進行對比研究發(fā)現(xiàn)燃燒增強了液滴的蒸發(fā)，相同位置的液滴的流向速度更大。燃燒對湍流脈動產(chǎn)生影響，在反應(yīng)劇烈的剪切層，反應(yīng)工況的雷諾應(yīng)力更大，而對于中心區(qū)域，則無反應(yīng)工況的雷諾應(yīng)力更大。在混合分數(shù)空間統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，燃燒增強了流場內(nèi)溫度、組分的脈動，增大了混合分數(shù)的耗散率。對兩相湍流燃燒模型進行分析發(fā)現(xiàn)混合分數(shù)和假定的β概率密度函數(shù)分布基本吻合，燃燒