超聲速燃燒中湍流模型的研究.pdf

1、超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(Scramjet)的研究近年來(lái)備受關(guān)注。由于實(shí)驗(yàn)方面投資較大以及測(cè)試手段的限制，數(shù)值模擬成為重要的研究工具。本文針對(duì)數(shù)值模擬中湍流模型這一重要因素進(jìn)行研究，主要做了以下幾個(gè)方面的工作：發(fā)展了四個(gè)具有更高計(jì)算精度的廣義可壓縮性修正k-ε湍流模型：研究并發(fā)展了聯(lián)合RANS/LES方法用來(lái)模擬非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)；對(duì)多種復(fù)雜的超聲速流動(dòng)、超聲速燃燒問(wèn)題進(jìn)行了深入研究；提出了利用分流技術(shù)強(qiáng)化超聲速燃燒的技術(shù)。 以往RAN

2、S湍流模型可壓縮性修正研究集中在膨脹可壓縮性修正的?；@一部分。在國(guó)外基礎(chǔ)研究方面取得的最新初步研究成果基礎(chǔ)上，本文引進(jìn)并發(fā)展了其它部分的廣義上的可壓縮性修正，即結(jié)構(gòu)可壓縮性修正及激波不穩(wěn)定性修正。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型基礎(chǔ)上，耦合以往的膨脹可壓縮性修正，發(fā)展了四個(gè)廣義可壓縮性修正的k-ε湍流模型。以可壓縮混合層為基礎(chǔ)，前兩個(gè)模型中發(fā)展了結(jié)構(gòu)可壓縮性修正模型，用來(lái)抑制過(guò)大的湍流動(dòng)能增長(zhǎng)，能夠很好地預(yù)測(cè)到混合層受抑制的發(fā)展趨勢(shì)。后兩個(gè)修正模

3、型除了耦合研究已經(jīng)較成熟的膨脹可壓縮性模型，又從另外的角度出發(fā)，發(fā)展了激波不穩(wěn)定性修正模型，用來(lái)抑制激波區(qū)域內(nèi)過(guò)大的湍流動(dòng)能產(chǎn)生。由于后面這兩個(gè)修正模型綜合考慮了自由發(fā)展的混合層中的可壓縮性效應(yīng)以及強(qiáng)間斷激波的不穩(wěn)定性脈動(dòng)兩部分效應(yīng)，計(jì)算精度得到了進(jìn)一步提高，尤其是顯著提高了對(duì)高速流動(dòng)中流體分離現(xiàn)象的模擬精度。結(jié)果初步表明，其中一個(gè)修正模型對(duì)流體分離的預(yù)測(cè)優(yōu)于工程中廣泛使用的k-ω SST湍流模型。 聯(lián)合RANS/LES方法既能

4、保證明顯改善RANS方法的計(jì)算精度，又能明顯降低LES方法的計(jì)算量，是很有潛力的一種方法。針對(duì)由模型參數(shù)控制計(jì)算分區(qū)的這一類RANS/LES方法，本文研究了多種不同形式的聯(lián)合方法。理論上推導(dǎo)出參考長(zhǎng)度尺度為湍流積分長(zhǎng)度尺度的聯(lián)合方法本質(zhì)上是一致的，與LES方法中應(yīng)用很廣的Smagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型本質(zhì)上相同。而以Kolmogorov長(zhǎng)度尺度為參考尺度的聯(lián)合方法，依據(jù)計(jì)算條件不同，可從RANS模擬直接過(guò)渡到DNS模擬。提出了一個(gè)

5、采用指數(shù)形式構(gòu)造的聯(lián)合RANS/LES方法。應(yīng)用聯(lián)合RANS/LES方法研究了經(jīng)典的方柱繞流流動(dòng)以及超聲速混合層流動(dòng)。 對(duì)發(fā)展的四個(gè)可壓縮性修正的k-ε湍流模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并應(yīng)用這些模型研究了一些復(fù)雜的超聲速流動(dòng)、燃燒現(xiàn)象。計(jì)算了超聲速混合層、超聲速后臺(tái)階、跨聲速凸包流動(dòng)、超聲速橫側(cè)射流等復(fù)雜流動(dòng)，以及超聲速受壁面限制混合層燃燒、超聲速橫側(cè)射流燃燒等工況。驗(yàn)證了四個(gè)修正模型的計(jì)算精度并對(duì)比分析了四個(gè)修正模型的優(yōu)缺點(diǎn)。研究了可壓縮

6、性(包括膨脹可壓縮性、結(jié)構(gòu)可壓縮性以及激波不穩(wěn)定性)對(duì)混合層發(fā)展的抑制和對(duì)流體分離的強(qiáng)化，以及這些效應(yīng)在燃燒工況下對(duì)超聲速燃燒特性的影響。 壁面入射是燃料進(jìn)入超聲速燃燒室最基本的一種入射方式。研究了這種方式下形成的超聲速橫側(cè)射流流場(chǎng)。根據(jù)流場(chǎng)特性，提出了利用分流強(qiáng)化超聲速燃燒的技術(shù)，即利用一個(gè)通道連通燃料入射孔的上下游，將上游高壓流體部分分流到下游低壓區(qū)，通過(guò)改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到強(qiáng)化燃燒的目的。研究?jī)?nèi)流及外流兩種情況下，燃料具有不