《燃燒室/渦輪耦合計算及其在熱斑機理研究中的套用》是依託浙江大學，由王高峰擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：燃燒室/渦輪耦合計算及其在熱斑機理研究中的套用
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：王高峰
- 項目類別：重大研究計畫
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
燃燒室/渦輪耦合熱力系統中燃氣流溫度分布具有強烈的不均勻性，包含了大量的局部非定常高溫核心（即熱斑），是制約航空發動機效率、壽命和噪聲等性能的關鍵因素。本項目為研究燃燒室與渦輪機耦合系統中的熱斑產生和遷移機理，進行如下兩個方面的工作：（1）在研究方法方面，本項目將發展高精度耦合多求解器副本MISCOG技術，使得燃燒室內湍流燃燒和下游葉輪機械流動能夠進行一體化的可壓縮流大渦模擬高精度解算，解決當前解耦方法研究中存在的界面描述困難；（2）在此耦合計算的基礎之上，分析耦合系統的湍流特徵和二次流結構，使用模式識別方法研究燃燒室出口平面溫度分布的頻域空間，分析上下游湍流作用造成溫度不均勻性的物理機制，建立界面處溫度和流場信息的幅度場和相位場描述方法，分析熱斑在燃燒室/渦輪中的瞬態分布和傳播軌跡，研究非定常熱斑遷移對渦輪動/靜葉片表面的熱負荷分布的影響規律，掌握髮動機真實環境下熱斑的產生和遷移規律。
結題摘要
燃燒室和渦輪是燃氣渦輪發動機熱力循環中最重要的兩個核心部件，但由於工業界對燃燒室和渦輪級間耦合作用的認識不足，往往在發動機裝配後發生由於高溫部件間匹配問題造成的各種故障，最突出的如葉片燒蝕和熱聲不穩定問題等。本項目圍繞航空發動機燃燒室和渦輪耦合作用研究需求，特別是模擬耦合熱力系統中非定常熱斑遷移過程的需求，發展完善了基於重疊格線的MISCOG多求解器副本耦合求解方法，搭建了實驗室尺度的燃燒室和渦輪耦合實驗驗證平台TurboCombo，開展了燃燒室和渦輪耦合機理的基礎研究，探索了燃燒室和渦輪一體化設計概念。本項目取得主要成果為： （1）在發展耦合計算方法方面，通過利用HERMITE插值和CFD梯度信息提高耦合界面精度，降低了湍流和激波等結構通過耦合界面的數值耗散；利用雙重區域分解方法，拓展了MISCOG耦合計算在異構超算上的並行能力；提出移植驗證了Taylor-Galerkin有限計算格式的精度，並發展了幾何邊界NURBS描述與計算格式相結合的曲面邊界單元方法；在湍流燃燒大渦模擬中使用高效高精度的集總簡化機理LU19，驗證了其在高Ka數湍流火焰中的準確性。 （2）開展了環形燃燒室點火機理研究，指出工程中存在的兩種點火模式的不同特徵，獲得不同參數對點火傳播特徵和周向點火時間的影響規律，驗證了模擬點火過程非定常火焰傳播過程的數值計算可靠性，掌握了燃燒室出口渦輪導葉對周向點火過程的影響機制。 （3）開展了帶渦輪導葉的環形燃燒室熱聲穩定性機理研究，發展DMD和POD等數據處理方法分析高速多維度的實驗或計算數據，發現了燃燒不穩定性與壁面溫度的關聯性，並通過模態分解，發現了縱向模態、周向模態及縱向混合模態的火焰脈動特徵。 （4）在耦合熱力系統中開展了熱斑遷移規律的研究，發展了複雜反應流動中PIV、LDV等高速速度測量和壁面受熱熱流測量方法，得到了頭部與導葉非對稱性分布下渦輪導葉和動葉表面的熱負荷分布規律；通過改變旋流噴嘴的噴射角度，提出斜噴環流燃燒室方案，以期增強周向摻混，降低渦輪導葉的氣動和氣熱負荷，探索一體化設計方法進一步提高推重比。 項目發表期刊論文10篇和會議論文15篇，其中SCI 4篇，EI 6篇；申請受理專利7項，其中授權發明專利2項，實用新型專利3項；項目執行期間共2名博士研究生和4名碩士研究生參與了項目實施，在科研能力和學術交流等方面得到鍛鍊。
