【《驻涡燃烧室的模型及数值仿真模拟分析案例》2700字】

驻涡燃烧室的模型及数值仿真模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u20532驻涡燃烧室的模型及数值仿真模拟分析案例 171321.1项目模型与运行参数 1282041.1.1项目模型 184711.1.2运行参数 3280831.1.3研究截面 4284111.2计算域网格划分 4123511.3基本控制方程 5281081.4模型边界条件 61.1项目模型与运行参数1.1.1项目模型数值仿真的模型是通过试验模型建立，该驻涡燃烧室的模型包括扩压器、供油装置、点火器、火焰稳定器、火焰筒等部分。图1.1所示为驻涡燃烧室模型的二维结构及流动示意图。由于从图中观察到火焰筒具有高度的对称性，所以认为两个凹腔的流体运动对称，只需建立上部分凹腔模型和研究上部分流体特性，即图中紫色虚线内的模型，因此可简化相应模型。图1.1典型驻涡燃烧系统结构与流动二维平面图图1.2所示为燃烧室的三维数值仿真模型结构示意图。模型的结构尺寸长、宽、高分别为：200mm、60mm、63mm，为火焰筒的一半。为研究横向射流位置对凹腔受迫卷吸现象的控制影响，其他参数（包括凹腔结构尺寸以及凹腔射流位置）保持不变，横向射流位置以5mm为间隔分别设置为距离前壁面1mm、6mm、11mm，横向射流进气口长、宽分布为：40mm、2mm，图1.3为无横向射流以及三组横向射流位置的二维X-Y平面示意图。图1.2驻涡燃烧室简化模型（a）无横向射流（b）横向射流位置x=-1mm（c）横向射流位置x=-6mm（d）横向射流位置x=-11mm1.3驻涡燃烧室横向射流位置二维X-Y平面示意图1.1.2运行参数 表1.1所示为本课题中所研究的主要参数，编号8（横向射流位置x=-1mm、横向射流速度v=60m/s）为基础模型。为了研究横向射流对驻涡燃烧室流动特性的影响，选择三组横向射流位置和四组横向射流速度进行研究，其中横向射流位置选择以5mm为间隔，横向射流速度以10m/s为间隔。另外，由于横向射流位置对腔内卷吸作用有较大影响，在靠近主流进入凹腔的入口处的横向射流效果最好，故开展每种情况的横向射流速度对受迫卷吸现象的控制研究，因此除了基础模型的v=60m/s外，还选择了速度分别为40m/s、50m/s和70m/s的模型进行研究。表1.1研究模型参数编号横向射流位置X（mm）横向射流速度V（m/s）1-102-1403-6404-11405-1506-6507-11508-1609-66010-116011-17012-67013-11701.1.3研究截面 图1.3所示为所选取研究截面示意图。建立网格时对模型设置流体域时在入口的主流中心截面上，此处位置也是驻涡燃烧室的点火电嘴。主流中心（PM）截面能直接观察对点火性能的影响，因此选取主流中心截面（即Z=30mm）观察凹腔内流场结构等。在支板的作用下，主流能加强与凹腔的掺混，增强了火焰的稳定性。在支板后主流与凹腔发生混合，所以研究支板后的流场特征能更清楚探究到质量、能量传递，因此选择支板中心（PS，即Z=10mm）截面作为特征截面。研究主流与凹腔之间的掺混特性，能探究出驻涡燃烧室的燃烧性能影响，主流卷吸入凹腔并随凹腔前进，此时描绘出凹腔内流体较强的三维流动特性，本课题选则PY截面（即Y=-10mm）作为特征截面。图1.3研究截面示意图1.2计算域网格划分图1.4所示为计算域所划分的网格示意图，通过UG创建三维模型后，通过ICEM进行网格划分，把模型分成很多小的单元，网格数量近似为12万。小单元数（即网格数量）增加，计算结果的准确度会相应提高，但计算时间也会增加。因此，由于网格数量影响计算时间以及结果准确性，所以在划分网格时应综合两个因素[18,19]。网格划分包括结构化网格和非结构化网格两种，由于结构化网格的适用范围比较窄，因此本文采用与结构化网格相反的非结构网格，即网格剖分区域内部的不同内部点相连的网格数目不同。计算域指的是计算时要考虑到的区域，有时间域和空间域。时间域是需要考虑到的时间范围，空间域是要计算区域的几何尺寸。当考虑凹腔内部流体的流动特征时，时间域取决于需要的时间段，取决于我们的研究内容；空间域取决于凹腔内部的流体达到的空间范围。流体计算域，指流体能达到的区域。流体计算域几何与模型几何差距并不大，只有一点不同：流体计算域指流体经过的区域。对于凹腔来说，几何模型包含的特征参数包括凹腔的长、宽、高，是实体模型。若要研究凹腔内部流体流动时创建计算域模型，就只是需要凹腔内壁的尺寸参数，而不需要凹腔外壁的尺寸参数。因此，流体计算域几何的创建需将计算区域部分从实体部分中提取出。而有一些要考虑实体几何外部流场的情况，则需要建立外部流体计算域。不管是考虑内部计算域还是外部计算域，利用布尔操作可以很方便的创建流体域几何。图1.4网格划分1.3基本控制方程在次研究的湍流流动的流体视为稳态流动的不可压缩理想流体，因此不对时间项的影响进行考虑，定常流体流动时一些物理量如压力P、速度v和密度ρ等‎不随时间变化dt而变化[20]。湍流的控制方程为：（1）质量守恒方程质量守恒定律是用于研究流体运动的基本定律（physicallaw），它的数学表达式为连续方程(continuityequation)[20]。流动的流体都必须满足质量守恒方程，对于定常流动，即经过控制面流体质量的净通量为零，故质量守恒方程为（a）可压缩流体运动微分方程：∂ρ∂t （b）不可压缩流体运动微分方程：∂ux∂x（2）动量守恒方程动量守恒指整个系统的总动量保持不变[22]，是最基本的规律之一。适用于微观高速的物体和宏观低速的物体。小如微观粒子以及大如宇宙天体，都适用动量守恒定律。对于定常流动，即经过控制面流体动量的净通量矢量等于作用在控制体内流体上外力的矢量和，动量守恒方程为ρdvdt=ρ式中iF式2-3就是用微分形式表示的动量定理，它表明：质点系的总动量对时间的变化率等于质点系所受外力的矢量和。1.4模型边界条件无论多么复杂的湍流，瞬时运动都适用于非稳态的连续方程和Navier-Stokes方程。但复杂的湍流具有非线性以及瞬态性，不能完全描述出湍流运动时三维空间以及时间的所有细节；同时在工程的实际应用上，湍流导致平均流场的变化更多被关注，所以研究湍流流动的全部细节意义并不是很大。因此可以使用许多种数学计算方法对湍流运动进行简化。首先是只适用于小尺度湍流运动的时均化模拟方法，它是对平均的统计以及其他种平均方法建立起来的。随着之后的发展，为了能计算不同尺度的湍流旋涡运动，湍流的计算方法主要分为3类:直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和平均方程（N-S）求解。N-S方程的方法更多被人们应用，因为DNS和LES这两种方法不能计算出比较大的计算量。但由于N-S方程具有不封闭性，因此需要增加一些方程数。通过引进模型来使N-S方程组封闭，从而求解。何小民等[21]研究驻涡燃烧室的冷态流场，通过研究各种湍流模型的适应性，结果表明：标