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副模旋流器叶片角对双旋流燃烧室内相干结构影响的大涡模拟研究.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西 北 工 业 大 学 学 报 :收稿日期:基金项目:国家科技重大专项(,)资助作者简介:冯翔洲(),西北工业大学博士研究生,主要从事航空发动机燃烧室喷雾与湍流燃烧研究。通信作者:索建秦(),西北工业大学教授,主要从事航空发动机燃烧室研究。:副模旋流器叶片角对双旋流燃烧室内相干结构影响的大涡模拟研究冯翔洲,索建秦,李前东,郑龙席(西北工业大学 动力与能源学院,陕西 西安)摘 要:利用大涡模拟方法研究了一种双旋流分区直混燃烧室内的大尺度相干结构以及副模旋流器叶片角度变化(,)对其的影响规律。结果表明:在主模下游并未观察到明显的相干结构,在副模下游捕捉到 种典型的螺旋涡结构,分
2、别代表了 及其 种高次谐波模态。根据与剪切层的“解耦”位置,螺旋涡在空间中被划分为 个区域,分别为“发展区”和“耗散区”。随着副模旋流器叶片角度增大,在频域内,及其高次谐波结构特征频率先减小后增大,谐波模态的能量贡献比例提升,双螺旋结构取代单螺旋结构成为非定常流场中的主导结构;在空间内,总长度基本保持不变,初始半径逐渐增大,扩张角先增大后减小,剪切层与螺旋涡“解耦”的位置逐渐提前。关 键 词:相干结构;大涡模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:()随着近年来环保问题日益受到人们的重视,对民用航空发动机排放要求也越来越严苛。为此,西北工业大学燃烧技术研究所提出了一种双旋流分区直混燃烧室方案,采用
3、直混燃烧可以有效避免预混燃烧遇到的回火与自燃问题。在副模燃烧区内通过化学恰当比燃烧方式可以获得良好的火焰稳定特性,在整个燃烧区内通过贫油燃烧方式可以降低排放。在燃烧室内的非定常流场结构中,能够维持某种特定运动状态的通常被称为相干结构。进动涡核()作为一种典型的大尺度相干结构,经常出现在旋流稳定燃烧室内,对燃烧室的流动特性和火焰稳定特性产生重要影响。针对单旋流模型燃烧室,当旋流数大于 时,就可以在射流剪切层和回流区之间观察到明显的 现象。与燃烧室内部压力和速度的频谱图峰值之间存在强烈的内在联系。的最大强度通常出现在中心回流区的根部位置,与中心回流区的相互作用能够促使其向燃烧室进口方向膨胀。在一些
4、研究中能同时观察到 的单螺旋和双螺旋空间结构。当 存在时,可以有效地提升燃料和空气的掺混作用,增强火焰稳定能力。燃烧室内的 会受到多种因素的影响,其中旋流数可以通过改变涡破碎泡()的稳定性来影响 的形成过程。此外,受限空间的大小与形状、边界条件(进口温度、压力和流量等)以及燃烧释热均会对 的空间结构和特征频率产生影响。本征正交分解()是一种数据驱动的线性降维 方 法,在 其 他 领 域 也 被 称 为 主 成 分 分 解()。首次将 方法应用于流场相干结构的分析中,利用一系列正交的基向量,即空间模态,来表征原始流场数据。随后,因 与流场分析优异的适配性以及低廉的计算成本,有更多人利用它来捕捉旋
5、流稳定燃烧室内的 结构。目前,已开展了大量针对双旋流直混燃烧室稳态流场特性的数值模拟与试验工作,但仍缺少对其非定常流动特性的深入研究。为此,本文利用大涡模拟方法研究了双旋流直混燃烧室内的大尺度相干第 期冯翔洲,等:副模旋流器叶片角对双旋流燃烧室内相干结构影响的大涡模拟研究结构以及副模旋流器叶片角变化对其的影响规律。首先通过 准则对数值计算网格尺度进行检验,并利用稳态 试验结果对数值方法进行验证。然后通过 方法提取流场内的大尺度相干结构,获得各相干结构对非定常流场特征的能量贡献比例,通过对时间项的离散傅里叶变换()获得不同相干结构的频谱特性。最后研究了旋流器叶片角度变化对大尺度相干结构在空间和频
6、域上的影响规律。计算模型与数值方法 计算模型图 为双旋流分区直混燃烧室和头部旋流器的剖视图。燃烧室由副模旋流器、主模旋流器和火焰筒三部分组成。其中副模旋流器叶片角度分别为、和,叶片个数均为。主模旋流器叶片角度为,叶片个数为。进入主模的气流被分成两部分,一部分进入旋流器,另一部分则由内侧的非旋通道流过,两股气流合并后共同从主模出口喷射进入火焰筒内。火焰筒是一个 的立方体,在燃烧室出口设置有一个收敛段,收敛角度为。图 双旋流分区直混燃烧室计算模型在开展数值模拟计算时,燃烧室进口设定为质量流量入口,燃烧室出口设定为压力出口。总的空气流量为 ,各部件的空气流量则由设计时的流量分配比例决定。进口温度与压
7、力分别为 和 。数值方法本文中利用大涡模拟方法准确捕捉燃烧室内部的非定常流场结构。选用低速不可压缩求解器,利用 方法实现压力和速度的耦合,分别通过二阶迎风方法和有界二阶隐式时间积分方法完成空间和时间的离散。利用 假设处理控制方程中的应力项。滤波后的质量守恒和动量守恒方程分别如()()式所示()()()()()()()式中:为密度;为滤波后的速度;是滤波后的压力;是应变率;是 单位矩阵。利用 模型求解亚格子尺度涡粘性()(,)()式中:常数 ;代表离最近壁面的距离;常数 ,是局部网格尺寸。方法用于 分析的原始数据矩阵,是通过监测并记录燃烧室内不同时刻的流场信息而获得的。其中向量和向量的维度分别由
8、监测点个数和快照数量决定。矩阵 可以表示为时均矩阵和瞬态矩阵之和 ()其中,时均矩阵也被称为 阶模态。鉴于本文分析关注的重点在大尺度相干结构上,在进行 分解前,从原始数据中剔除了时均值。从数学角度来看,去除时均矩阵的过程也是矩阵中心化的过程,可以有效提升向量的正交性。对于中心化后的矩阵,其协方差矩阵 可由()式计算得到 (),()对矩阵 进行本征正交分解以获得特征根矩阵,也即空间模态。空间模态所对应的能量由特征值矩阵对角线上元素大小决定。()()式中:是特征值矩阵;是特征根矩阵。时间项由()式计算()()根据()式,瞬态矩阵可以表示为时间项和空间模态内积的累加。西 北 工 业 大 学 学 报第
9、 卷 计算结果分析 数值模拟方法验证提出的 准则可以用于检验网格捕捉湍动能的能力,计算方法如()式所示 ()式中:代表该网格尺度下可以直接求解的湍动能;代表未被直接求解,需要用亚格子模型模拟的湍动能。当 数值小于 时,表明该网格尺度下能够直接解析足够多的涡结构,符合大涡模拟计算要求。图中展示了燃烧室截面内的 数值分布。经过多轮迭代,当网格总数量为 万时,可以看出燃烧室内 数值均小于,表明网格能够满足大涡模拟的计算要求。图 燃烧室 截面 云图为了进一步证明数值计算结果的准确性,对比了数值模拟与 试验在燃烧室多个轴向位置处的时均轴向速度沿径向的分布曲线,如图 所示。图 多个轴向位置的时均轴向速度径
10、向分布对比 图 中蓝色实线为数值仿真结果,黑色圆点为 试验结果。从图中可以看出,大涡模拟得到的时均轴向速度与 试验结果的趋势一致,仅在数值上有细微差距,表明数值计算结果是准确可靠的。燃烧室内典型相干结构为了捕捉双旋流直混燃烧室内的大尺度相干结第 期冯翔洲,等:副模旋流器叶片角对双旋流燃烧室内相干结构影响的大涡模拟研究构,共采集 组不同时刻的流场空间数据,采样间隔为 ,采样持续时间为 ,再利用 节介绍的 方法,获得了三维空间模态及其对应能量贡献大小。能量贡献越大的模态越能代表流场的非定常特征,因此将 模态按照能量贡献进行了降序排列。本节中选取副模旋流器叶片角度,对双旋流直混燃烧室内的典型相干结构
11、及其频谱特性进行展示。通过对 分解得到的时间项 进行离散傅里叶变换,可以获得不同模态的频谱特性曲线。图 中展示了能量贡献最高的 个空间模态所对应的功率谱密度频率特性曲线图。相邻的模态具有相同的特征频率,而功率谱密度略有不同。其中,前 组模态具有明显特征频率峰值,分别是 ,和 。根据谐波的定义,高次谐波的频率是基波的整数倍。因此,模态 和模态 就共同表征了燃烧室内的基波结构,其余特征频率对应的结构就分别为二次谐波结构,三次谐波结构和四次谐波结构。相干结构对应的功率谱密度大小可以用来表征结构本身蕴含的能量高低。在现有标尺下,第 模态后的频谱特性曲线中已经观察不到特征频率峰值,表明这些相干结构蕴含的
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