航空發動機燃燒不穩定性的數值模擬研究

《航空發動機燃燒不穩定性的數值模擬研究》是依託浙江大學，由樊建人擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：航空發動機燃燒不穩定性的數值模擬研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：樊建人
• 項目類別：重大研究計畫

項目摘要

燃燒不穩定性一直是先進航空發動機設計面臨的主要挑戰。航空發動機燃燒室內同時存在湍流流動、傳熱傳質和化學反應，多種物理化學過程之間的相互耦合使得燃燒室內燃燒不穩定性的機理研究十分困難。本項目針對國家自然科學基金“面向發動機的湍流燃燒基礎研究”重大研究計畫中的核心科學問題“（二）受限空間內複雜湍流和燃燒的相互作用”，從最基本的液霧燃燒機理研究出發，發展高精度的液體霧化、蒸發和燃燒模型，在此基礎上建立和發展適用於實際航空發動機燃燒室燃燒不穩定性研究的大渦模擬數值試驗平台和聲波求解器數值試驗平台。經過檢驗驗證後，對航空發動機燃燒室燃燒不穩定性的機理進行系統研究，揭示燃燒室內多物理耦合作用機理、霧化蒸發過程對燃燒不穩定性的影響機理以及航空發動機燃燒室聲波與火焰相互作用機理，為先進航空發動機的設計和研製提供理論基礎。

結題摘要

燃燒不穩定性一直是先進航空發動機設計面臨的主要挑戰。航空發動機燃燒室內同時存在湍流流動、傳熱傳質和化學反應，多種物理化學過程之間的相互耦合使得燃燒室內燃燒不穩定性的機理研究十分困難。本項目首先發展了一套質量守恆型的界面追蹤方法（Level Set）和Ghost Fluid Method方法來模擬氣液兩相流。基於此方法，我們模擬了旋流霧化中液體從液柱、液膜到液橋，液絲和液滴的一次破碎和二次破碎的過程，揭示了航空發動機湍流環境下液滴破碎和合併的機理。在此基礎上，我們發展了液體霧化、蒸發和燃燒的一體化直接數值模擬方法，並模擬了液滴從蒸發到燃燒的整個過程。基於直接數值模擬結果，考慮了實際發動機內部密度比和粘度比的範圍，對歐拉-拉格朗日霧化模型（ELSA）進行了改進，對穩定破碎條件下韋伯數和湍流源項的二次形式進行驗證並改進，並且發展了通用形式的蒸發模型（Revised Heat Flux based Model, ReHFM）。其次我們發展了可用於複雜幾何結構的高精度全可壓縮數值模擬平台。利用全可壓縮數值模擬方法研究了火焰，聲場和渦的相互耦合機制。結果表明在不同的火焰結構中，火焰，聲場和渦所起的作用不同，振盪過程會出現不同的頻率和振幅。在湍流預混火焰中，壁面對中頻下的振盪火焰回響特性較小，但對高頻下的振盪火焰回響特性很大。在高頻振盪的火焰預測方面仍需更為精確的燃燒模型和傳熱模型。航空發動機的燃燒振盪過程主要又火焰渦團周期性的形成和消失決定。振盪過程受液滴蒸發過程的影響很大，增大液滴粒徑會減弱蒸發過程的振盪，進而降低燃燒振盪幅值，但會引起燃燒不完全的問題。本項目發展的高精度數值模擬方法可以準確模擬航空發動機燃燒室內的液體霧化蒸發和燃燒過程，可以直接用於先進航空發動機的研製試驗。在機理層面，本項目的研究內容可以為先進航空發動機的研製提供理論基礎。