超音速湍流燃燒的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著人類文明的進步，人類活動的范圍越來越廣。新一代遠距離民用航空運輸工具的發(fā)展，有賴于高效、清潔的超音速燃燒裝置的設計。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為了進行科學研究的重要手段，并且有著高效率、低成本的優(yōu)勢。隨著大規(guī)模并行計算機的快速發(fā)展，用直接數(shù)值模擬(DNS)方法研究超音速燃燒問題已經(jīng)具有了可行性。DNS方法可以求解細微的湍流尺度和火焰尺度，能夠為深入理解超音速燃燒中的復雜物理現(xiàn)象提供幫助，為RANS或者LES中使用到混合和燃

2、燒模型的驗證和發(fā)展提供支持。本文對三維超音速湍射流火焰進行了直接模擬(DNS)研究。
　　首先，本文改進了三維耦合的特征邊界條件，推導了三維的可壓縮反應流特征體系，并結(jié)合詳細的熱物性、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)展出了計算超音速湍流燃燒的高精度直接數(shù)值模擬算法，開發(fā)了適用于大規(guī)模并行的計算程序。
　　其次，作者使用本文開發(fā)的程序，對一維預混火焰、一維激波管問題、二維風洞中的超音速臺階流、二

3、維渦與正激波的相互作用、三維球形激波、三維射流進行了計算，并和收斂解、經(jīng)典解或者實驗數(shù)據(jù)進行了對比，證實了本算法對細微火焰尺度、激波結(jié)構(gòu)、湍流問題等有著高精度的計算能力。
　　使用本文發(fā)展的程序，作者對一個馬赫數(shù)為1.2，雷諾數(shù)為22000的超音速射流火焰進行了直接數(shù)值模擬。計算使用了9.72億網(wǎng)格，在2000顆運算核心上，進行了約500萬cpu小時的計算。本文對火焰的流場特征、火焰的特征結(jié)構(gòu)、穩(wěn)燃機理、渦結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)燃機理、爆燃

4、波與激波結(jié)構(gòu)、渦運動與燃燒的相互影響等進行了分析和論證。
　　超音速射流火焰的整體結(jié)構(gòu)可以分為三個區(qū)域：近似層流的火焰底部；溫度較低、燃燒強度較高的劇烈混合區(qū)；燃燒強度逐漸變?nèi)醯倪h場區(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入自相似區(qū)較慢。
　　以自燃標志性組分HO2在高溫組分OH上游聚集和高的Da值為特征，在高溫度、低標量耗散率的貧燃區(qū)發(fā)生的自燃是火焰底部實現(xiàn)穩(wěn)燃的主要機理。通過

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。通過火焰標識分析，我們發(fā)現(xiàn)火焰底部的自燃屬于非預混燃燒。在整個火焰區(qū)域，當量混合分數(shù)面附近大都屬于非預混燃燒。另外一個非預混燃燒區(qū)分布在音速面爆燃區(qū)的附近。兩個非預混燃燒區(qū)之間分布的是預混燃燒區(qū)。在劇烈混合區(qū)，預混燃燒和非預混燃燒都很劇烈，預混燃燒對總的熱量釋放率的貢獻約為35％。在遠場區(qū)，燃燒以外圍擴散燃燒為主，對總的熱量釋放率的貢獻最多，約占80％。
　　本文證實了超

6、音速射流火焰的進場渦結(jié)構(gòu)中三維流向渦結(jié)構(gòu)占主導地位，沒有明顯的渦環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。當湍流充分發(fā)展后，徑向和周向的渦結(jié)構(gòu)也變的豐富。為了促進燃料的混合，我們可以增加適當?shù)臋C理或者設計適當?shù)膰娍谛螤?，促進流向渦的發(fā)展。本文還給出了超音速反應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。
　　本文還研究了渦運動和燃燒的相互作用。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，都對應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，這個值和熱量釋放率在一個量級。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的渦膨脹。在高速區(qū)(ζ=0.8和ζ=9)，高壓縮功率幅值，對應著高的熱量釋放率；高膨脹功率幅值