基于非稳态FPV模型超声速部分预混燃烧模拟

摘要

高超声速飞行器在导弹、侦察机、空天飞机领域有着广泛的应用前景，超燃冲压发动机作为稳定高效的动力装置，是设计中的难点和重点，国内外学者进行了大量研究。本文采用数值模拟的方法，研究了超燃冲压发动机中超声速燃烧（以下简称“超燃”）问题，其中主要涉及高精度激波捕捉格式、湍流模型、燃烧模型的改进与应用。 通过对近年超燃领域的研究成果归纳发现，超燃数值模拟结果已经与实验趋势符合，但是温度场的模拟与实验仍有一定的差距。因此，本文对模拟所用的湍流模型、燃烧模型开展了深入研究，具体针对超声速条件下火焰面研究现状及适用性进行了综述;基于OpenFOAM流场平台，开发了非稳态火焰面/进度变量模型（Unsteady Flame/Prog-ress Variable Model，UFPVM）求解器模块UFPVcompressflameletFoam;针对超燃冲压发动机燃烧室内流场数值模拟存在的问题，使用更先进的燃烧模型进行模拟，得到了更接近实验的模拟结果。 为了研究不同湍流模型对超燃模拟的影响，本文选取了两种常用湍流模型对DLR支板超声速燃烧室展开数值模拟，结果显示相比于标准k-ε模型，SST k-ω模型在模拟超燃流场时对流场温度的捕捉更接近于实验。 针对之前超燃模拟领域中存在温度场结果与实验相差较大的问题，本文在研究了不同详细化学反应机理、三维效应对模拟的影响后，采用UFPVM对DLR支板超声速燃烧室进行模拟，并与应用成熟的火焰面/进度变量模型(Flame/Progress Variable Model，FPVM)的模拟结果进行对比。结果显示，FPVM及UFPVM在速度场及温度场与实验对比良好，但是UFPVM比FPVM对温度模拟更精确。为了探究不同工况对超燃的影响，本文最后应用UFPVcompressflameletFoam求解器模块对凹腔结构超声速燃烧室展开数值模拟，在模拟分析中得到与文献相同的结论，即燃料喷注总压对燃烧影响较小，而喷注角影响较大。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2超声速湍流燃烧研究现状

1．2．1高精度激波捕捉格式

1．2．2湍流模型

1．2．3燃烧模型

1．2．4超声速湍流燃烧数值模拟现状

1．3本文主要研究内容

第2章控制方程的离散与封闭

2．1控制方程

2．2控制方程的离散

2．2．1面插值

2．2．2通量积分的离散

2．2．3源项积分的离散

2．2．4单点积分离散

2．2．5时间项离散

2．3湍流模型

2．3．1标准k-ε湍流模型

2．3．2k-ω湍流模型

2．3．3 Baseline(BSL)k-ω湍流模型

2．3．4 SST k-ω湍流模型

2．3．5壁面函数

2．4燃烧模型

2．4．1稳态层流火焰面模型

2．4．2火焰面／进度变量模型

2．4．3非稳态火焰面／进度变量模型

2．5本章小结

第3章湍流模型对模拟结果影响研究

3．1 DLR支板燃烧室计算模型及边界条件

3．1．1模型及网格

3．1．2边界条件及数值计算方法

3．2标准k-ε湍流模型模拟结果

3．2．1冷态场模拟结果

3．2．2燃烧场模拟结果

3．3 SST k-ω湍流模型模拟结果

3．3．1冷态场模拟结果

3．3．2燃烧场模拟结果

3．4对比分析

3．4．1冷态场结果对比

3．4．2燃烧场结果对比

3．5本章小结

第4章FPVM与UFPVM对比分析

4．1 OpenFOAM简介

4．2 UFPVcompressflameletFoam求解器模块

4．3火焰面数据表

4．3．1稳态火焰面数据表

4．3．2非稳态火焰面数据

4．3．3不同反应机理对流场模拟结果的影响

4．4三维DLR支板算例

4．4．1流场的三维效应

4．4．2冷态场模拟结果

4．4．3燃烧场模拟结果

4．5本章小结

第5章OpenFOAM开发火焰面求解器模块的应用研究

5．1凹腔燃烧室计算模型及边界条件

5．1．1模型及网格

5．1．2边界条件及数值计算方法

5．2凹腔燃烧室算例冷态场结果

5．3凹腔燃烧室算例燃烧场结果

5．4不同氢气喷注方式对燃烧影响研究

5．4．1喷注角对燃烧的影响

5．4．2喷注总压对燃烧的影响

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢