高溫升燃燒室超大渦模擬技術(shù)研究

■ 張宏達(dá) 朱健 / 中國航發(fā)動(dòng)力所 韓省思 / 南京航空航天大學(xué)

超大渦模擬是近年來新發(fā)展的一種數(shù)值模擬技術(shù)，具有計(jì)算精度高和適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)計(jì)算資源要求較小，將其應(yīng)用于高溫升燃燒室數(shù)值模擬，可解決復(fù)雜氣動(dòng)熱力場(chǎng)精準(zhǔn)辨析的瓶頸問題。

隨著燃燒室性能的不斷提高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往十分復(fù)雜，相應(yīng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和燃燒特性亦十分復(fù)雜，如圖1所示。燃燒室內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多尺度、多物理場(chǎng)、強(qiáng)耦合等特征。無論是主燃燒室還是加力燃燒室，均涉及兩相燃燒過程，其中湍流、燃燒、燃油霧化蒸發(fā)、摻混等基礎(chǔ)物理過程對(duì)燃燒具有決定性的影響，對(duì)這些物理化學(xué)過程進(jìn)行高精度數(shù)值模擬是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖1 燃燒室內(nèi)部燃燒過程大渦模擬結(jié)果

數(shù)值仿真技術(shù)

數(shù)值仿真技術(shù)是燃燒室設(shè)計(jì)的重要工具之一。相對(duì)于試驗(yàn)技術(shù)，數(shù)值仿真技術(shù)能夠提供詳細(xì)的流場(chǎng)信息，而且具有縮短研制周期、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。燃燒室數(shù)值模擬作為數(shù)值仿真領(lǐng)域內(nèi)的典型代表，具有學(xué)科交叉廣、復(fù)雜程度高等特點(diǎn)，目前主要發(fā)展了雷諾平均方法（RANS）、大渦模擬方法（LES）和直接數(shù)值模擬方法（DNS）等3種基本的數(shù)值模擬方法。

DNS不需要任何模型，直接求解所有的湍流和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間及空間尺度，具有最高的模擬精度，但計(jì)算資源消耗巨大，僅用于低雷諾數(shù)基礎(chǔ)燃燒問題研究，短期無法應(yīng)用于實(shí)際的燃燒室仿真計(jì)算。RANS方法針對(duì)湍流燃燒平均場(chǎng)進(jìn)行求解，采用模型模化全部的湍流脈動(dòng)信息，計(jì)算量小，但是精度較差，特別對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的強(qiáng)旋流、瞬態(tài)流動(dòng)過程，RANS存在本質(zhì)的缺陷，無法滿足下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的精細(xì)化設(shè)計(jì)要求。LES的計(jì)算量介于RANS與DNS之間，目前常應(yīng)用于中低雷諾數(shù)流動(dòng)和燃燒計(jì)算。

燃燒室中流動(dòng)雷諾數(shù)很高，相應(yīng)燃燒大渦模擬需要的計(jì)算資源顯著增加，僅單頭部燃燒室大渦模擬計(jì)算需要的計(jì)算網(wǎng)格量就在幾億至幾十億量級(jí)，如此高的計(jì)算資源消耗限制了大渦模擬在工程研制中的廣泛使用。面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程需求，可承受的高精度數(shù)值模擬方法是近期急需發(fā)展的數(shù)值仿真技術(shù)。基于自適應(yīng)湍流模擬技術(shù)（如超大渦模擬技術(shù)）及混合雷諾平均—大渦模擬方法框架建立燃燒的高精度計(jì)算模型和方法，是國際上燃燒數(shù)值模擬的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

超大渦模擬技術(shù)

超大渦模擬技術(shù)[1]是近年來新發(fā)展的一種自適應(yīng)湍流模擬技術(shù)，在保證計(jì)算精度與傳統(tǒng)大渦模擬相當(dāng)?shù)那疤嵯拢蠓岣哂?jì)算效率、縮短計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真精度和仿真效率的兼顧。相比于傳統(tǒng)的RANS和LES，超大渦模擬建模中考慮了更多的特征長(zhǎng)度尺度，如表1所示。RANS只考慮流場(chǎng)中存在的最大長(zhǎng)度尺度，即積分長(zhǎng)度尺度，無法描述流場(chǎng)中的小尺度結(jié)構(gòu)；LES建模中只考慮了湍流濾波長(zhǎng)度尺度，與網(wǎng)格尺度直接相關(guān)，由于求解的湍流尺度在模型中沒有顯性體現(xiàn)，因此LES對(duì)計(jì)算網(wǎng)格極為敏感，需要很細(xì)密的計(jì)算網(wǎng)格才能得到高精度的計(jì)算結(jié)果。在超大渦模擬技術(shù)理論框架中，建模過程中直接考慮了積分長(zhǎng)度尺度、湍流濾波長(zhǎng)度尺度和柯爾莫哥洛夫長(zhǎng)度尺度（即最小的湍流尺度）3個(gè)具有代表性的流場(chǎng)特征長(zhǎng)度尺度，因此超大渦模擬技術(shù)能夠整體考慮流場(chǎng)的多尺度特征，以此構(gòu)建分辨率控制函數(shù)，可以依據(jù)流場(chǎng)渦系演化的實(shí)時(shí)特征，實(shí)現(xiàn)從RANS、LES到DNS之間的光滑過渡，自適應(yīng)調(diào)整湍流模化與湍流求解之間的比重大小，從而顯著減弱了對(duì)計(jì)算網(wǎng)格的敏感性，在保證高計(jì)算精度的同時(shí)顯著降低計(jì)算量。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室強(qiáng)旋流、強(qiáng)分離的特點(diǎn)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用超大渦模擬方法進(jìn)行大量的計(jì)算測(cè)試與不斷發(fā)展，包括各類復(fù)雜的具有挑戰(zhàn)性的分離流動(dòng)[2]、強(qiáng)旋流流動(dòng)[3]計(jì)算等，展示出了高計(jì)算精度與魯棒性。新發(fā)展的超大渦模擬方法具有LES的計(jì)算精度，同時(shí)計(jì)算量較LES至少減少1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此在燃燒室數(shù)值仿真方面具有很大的應(yīng)用潛力。

燃燒模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的氣液兩相燃燒過程，針對(duì)稀疏相的兩相燃燒過程已發(fā)展了多種數(shù)值計(jì)算方法。現(xiàn)階段工程中應(yīng)用比較廣泛的是基于歐拉-拉格朗日的耦合方法，氣相和液相的相互作用過程通過基本的物理模型來模化，因此湍流燃燒過程的數(shù)值計(jì)算主要在氣相燃燒過程的基礎(chǔ)上開展。湍流燃燒相互作用模型是燃燒數(shù)值模擬的關(guān)鍵所在，也是長(zhǎng)期以來的研究熱點(diǎn)。除了早期廣泛使用的旋渦破碎模型（EBU）外，當(dāng)前主要的燃燒模型包括基于火焰面建表的燃燒模型、概率密度函數(shù)（PDF）輸運(yùn)方法、增厚火焰燃燒模型（TFM）、渦耗散概念模型（EDC）、部分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器模型（PaSR）和條件矩封閉模型（CMC）等，其中基于火焰面建表的燃燒模型、增厚火焰燃燒模型等方法在工程中具有較大的應(yīng)用潛力，關(guān)于湍流燃燒模型的詳細(xì)論述見參考文獻(xiàn)[4]。在超大渦模擬方法框架下，進(jìn)一步發(fā)展相應(yīng)的湍流燃燒模型，對(duì)實(shí)現(xiàn)工程燃燒室的高精度數(shù)值計(jì)算具有十分重要的作用。

超大渦模擬技術(shù)在燃燒室計(jì)算中的應(yīng)用

超大渦模擬技術(shù)已在商業(yè)仿真軟件平臺(tái)Fluent及CFX、開源計(jì)算軟件平臺(tái)OpenFOAM及Code_Saturne上集成和廣泛驗(yàn)證，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)運(yùn)用基于k-ω模型的超大渦模擬方法完成了工程相關(guān)的LM6000燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和高溫升燃燒室兩相燃燒過程高精度仿真計(jì)算。

表1 不同數(shù)值模擬方法建模中的特征長(zhǎng)度尺度

LM6000燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)混燃燒室燃燒計(jì)算

LM6000燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)混燃燒室是一簡(jiǎn)化的單頭部燃燒室，主要結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。方腔燃燒室除了旋流進(jìn)口外，在上下壁面處分別設(shè)有一個(gè)冷氣狹縫進(jìn)口，燃料進(jìn)口為當(dāng)量比0.56的甲烷空氣旋流預(yù)混氣。基于燃料射流入口直徑D，平均軸向速度以及燃料的運(yùn)動(dòng)黏度計(jì)算得到的雷諾數(shù)（Re）近似為320000，入口旋流數(shù)為0.56。計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約210萬。圖2（b）給出了燃燒室中截面處的瞬時(shí)溫度分布，可以看出，在旋流駐定火焰作用下，火焰面在靠近射流出口處均具有明顯的旋流杯結(jié)構(gòu)。燃燒室的溫度分布均具有明顯的“頸部”結(jié)構(gòu)，這主要是由于狹縫冷氣對(duì)燃燒室冷卻產(chǎn)生的特有結(jié)構(gòu)，并且與燃燒室主流形成剪切作用。火焰面產(chǎn)生明顯的褶皺，說明當(dāng)前的計(jì)算能夠很好地捕捉較為精細(xì)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖2 LM6000燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)混燃燒超大渦模擬計(jì)算結(jié)果

圖3 高溫升燃燒室兩相燃燒超大渦模擬計(jì)算結(jié)果

高溫升燃燒室兩相燃燒計(jì)算

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫升燃燒室如圖3（a）所示，其燃燒室頭部由三級(jí)旋流器和雙油路噴嘴組成[5]。采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為1500萬，選取發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)設(shè)計(jì)點(diǎn)燃燒室工作參數(shù)作為數(shù)值模擬狀態(tài)點(diǎn)。高溫升燃燒室頭部中心截面的瞬時(shí)溫度場(chǎng)分布如圖3（b）所示。在火焰筒頭部，由于燃油不斷蒸發(fā)吸熱，蒸發(fā)的燃?xì)獗痪砦M(jìn)入頭部中心回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)較低的氣流速度為燃燒創(chuàng)造了有利條件，并不斷補(bǔ)充新鮮空氣，大部分燃料在回流區(qū)中燃燒，導(dǎo)致燃料快速消耗，溫度迅速升高。另外，火焰筒大孔射流對(duì)回流區(qū)產(chǎn)生了截?cái)嘧饔茫罂咨淞髦幸徊糠质芑亓鲄^(qū)的卷吸作用參與了回流，另一部分與高溫燃?xì)鈦砹靼l(fā)生摻混。

結(jié)束語

針對(duì)下一代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以加強(qiáng)正向設(shè)計(jì)、提高仿真能力、提升燃燒室部件的性能和可靠性為目標(biāo)，深入系統(tǒng)地開展燃燒室超大渦模擬技術(shù)研究，建立超大渦模擬高精度仿真方法及相應(yīng)的工具、流程、規(guī)范，實(shí)現(xiàn)在通用計(jì)算仿真平臺(tái)上的集成，對(duì)解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室復(fù)雜氣動(dòng)熱力場(chǎng)精準(zhǔn)辨析的瓶頸問題具有重要意義，有力支撐了燃燒室設(shè)計(jì)方案的快速評(píng)估、篩選和優(yōu)化，初步解決了大渦模擬對(duì)計(jì)算資源要求過高難以在型號(hào)中廣泛應(yīng)用的難題。