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文檔簡介
1、超聲速湍流燃燒中存在著湍流、激波、燃燒波等諸多復(fù)雜物理場的相互作用,本文基于高精度直接數(shù)值模擬理論,發(fā)展了適合大規(guī)模并行運(yùn)算的超聲速湍流流動(dòng)燃燒直接數(shù)值模擬計(jì)算平臺(tái),分別對(duì)正激波、爆轟波與各向同性湍流相互作用、超聲速單相和氣液兩相湍流射流燃燒進(jìn)行了對(duì)比研究,以揭示超聲速湍流燃燒中的湍流-激波-火焰-液滴間多物理場耦合作用的基本規(guī)律。
本文對(duì)正激波和各向同性湍流干涉現(xiàn)象進(jìn)行了直接數(shù)值模擬,以研究湍流和激波的相互作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)
2、湍流受到激波的強(qiáng)壓縮作用,各方向的速度脈動(dòng)和渦量脈動(dòng)得到增強(qiáng),且呈現(xiàn)出強(qiáng)各向異性狀態(tài),下游湍流逐漸向各向同性恢復(fù);湍流渦結(jié)構(gòu)流向上被強(qiáng)烈壓縮,尺度減小;激波表面在湍流作用下變得褶皺,且激波表面運(yùn)動(dòng)與上游的速度脈動(dòng)的相關(guān)性最大。對(duì)不同湍流脈動(dòng)強(qiáng)度來流和激波相互作用研究發(fā)現(xiàn)激波前后湍流雷諾應(yīng)力的增加量隨著湍流強(qiáng)度的增加而減小,湍流尺度減小量也減小,下游湍流向各向同性恢復(fù)更快;隨著來流湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的增大,激波表面更加的褶皺,甚至流場中正激波結(jié)
3、構(gòu)被破壞,形成激波“洞”結(jié)構(gòu)。
本文對(duì)各向同性湍流和爆轟波的相互作用進(jìn)行了模擬,以研究湍流-激波-火焰的相互作用機(jī)理。分別對(duì)無湍流脈動(dòng),不同渦脈動(dòng)強(qiáng)度,熵脈動(dòng)來流下馬赫數(shù)為3的爆轟波的發(fā)展進(jìn)行了比較研究,研究發(fā)現(xiàn)爆轟波的傳播呈現(xiàn)出典型的三波結(jié)構(gòu):馬赫干、入射激波、橫波,橫波和三波點(diǎn)周期性運(yùn)動(dòng)形成爆轟波胞格結(jié)構(gòu),渦脈動(dòng)和熵脈動(dòng)作用下爆轟波面發(fā)生褶皺,而三波點(diǎn)的周期性運(yùn)動(dòng)和碰撞并沒有改變,但周期被延長,胞格長度略微增大。三波點(diǎn)碰撞
4、時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦,在渦旋的卷吸作用下,反應(yīng)物被帶入反應(yīng)區(qū),形成未完全反應(yīng)氣團(tuán)。相對(duì)于無反應(yīng)的湍流和激波相互作用,湍流和爆轟波相互作用后雷諾應(yīng)力增強(qiáng)幅值更大。不同湍流強(qiáng)度的來流作用下,爆轟波胞格結(jié)構(gòu)變化不大,爆轟波后流體的脈動(dòng)主要受到三波點(diǎn)碰撞產(chǎn)生的大尺度漩渦結(jié)構(gòu)的影響。馬赫數(shù)為4時(shí)爆轟波更不穩(wěn)定,胞格結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的,入口的湍流脈動(dòng)對(duì)爆轟波結(jié)構(gòu)的影響更為復(fù)雜。
本文基于三維空間發(fā)展的超聲速射流抬升火焰的直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)
5、庫,對(duì)超聲速湍流燃燒小火焰模型、條件矩模型進(jìn)行了研究。DNS結(jié)果顯示出與小火焰計(jì)算結(jié)果較好的一致性;對(duì)于超聲速火焰計(jì)算,應(yīng)先求解總能量,再從總能和組分場來計(jì)算溫度,以更好地考慮可壓縮效應(yīng)的影響。采用DNS數(shù)據(jù)對(duì)條件矩模型中未封閉項(xiàng)的子模型進(jìn)行分析和驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),混合分?jǐn)?shù)的概率分布基本符合假定的截?cái)嗟母咚狗植己挺路植肌>€性模型可以用來對(duì)于軸向速度的預(yù)測。Girimaji模型對(duì)條件平均標(biāo)量耗散率的預(yù)測結(jié)果與DNS結(jié)果在火焰的上游一致。下游AMC
6、模型對(duì)標(biāo)量耗散率的預(yù)測偏差更小。反應(yīng)源項(xiàng)的一階封閉相比DNS結(jié)果偏差較大,需采用高階封閉或雙條件矩模型。
本文對(duì)超聲速氣液兩相湍流射流火焰進(jìn)行了直接數(shù)值模擬,研究火焰中存在的湍流-火焰-液滴蒸發(fā)之間的耦合作用機(jī)理。分別對(duì)僅有蒸發(fā)無反應(yīng)工況NR、反應(yīng)工況R1和二倍的燃料供給的反應(yīng)工況R2進(jìn)行了模擬研究。兩相火焰與氣相火焰相比,兩相火焰面上因液滴蒸發(fā)而存在局部的低溫區(qū)域,火焰面形成更多的條帶結(jié)構(gòu)及離散的火焰團(tuán)。燃燒場中同時(shí)存在預(yù)混
7、和擴(kuò)散火焰,預(yù)混火焰對(duì)總體釋熱的比重隨著下游發(fā)展逐漸增大到50%以上。對(duì)無反應(yīng)工況NR和反應(yīng)工況R1進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)燃燒增強(qiáng)了液滴的蒸發(fā),相同位置的液滴的流向速度更大。燃燒對(duì)湍流脈動(dòng)產(chǎn)生影響,在反應(yīng)劇烈的剪切層,反應(yīng)工況的雷諾應(yīng)力更大,而對(duì)于中心區(qū)域,則無反應(yīng)工況的雷諾應(yīng)力更大。在混合分?jǐn)?shù)空間統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),燃燒增強(qiáng)了流場內(nèi)溫度、組分的脈動(dòng),增大了混合分?jǐn)?shù)的耗散率。對(duì)兩相湍流燃燒模型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)混合分?jǐn)?shù)和假定的β概率密度函數(shù)分布基本吻合,燃燒
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