超声速可压缩湍流与燃烧耦合作用的建模与分析

The research on the interaction between turbulence and combustion in supersonic flows is relatively scarce currently. On the one hand, the compressible turbulence-combustion model, which can describe the influence of the turbulent fluctuations on the chemical reactions in supersonic flows, has not been developed maturely. On the other hand, the suppression effect of the combustion heat release on the turbulence development has not been considered in the current RANS simulation of supersonic combustion, and hence it is urgently needed to develop the corresponding compressible combustion-turbulence model. Based on numerical simulation and theoretical analysis, the modeling and analysis of the interaction between turbulence and combustion in supersonic compressible flows is conducted. The influence mechanism of the flow compressibility on the flame inner structure is analyzed at first, and a new type of compressibility correction is developed based on the traditional turbulence-combustion model which is designed for low-speed flows and non-premixed combustion. Then, the compressible turbulence-combustion model adequate for complex flows can be established. Furthermore, utilizing the available experimental data and DNS results, the physical mechanism of the combustion heat release effect on turbulence is studied, and the compressible combustion-turbulence model, which can reflect the suppression effect of the heat release on the turbulence development, is established. Subsequently, the application researches of the compressible turbulence-combustion model and combustion-turbulence model in typical supersonic combustion flows are carried out and the characteristics of the interaction between turbulence and combustion in supersonic flows are analyzed.

目前，对超声速流动中湍流与燃烧耦合作用的研究较为缺乏。一方面可描述超声速流动中湍流脉动对化学反应影响的可压缩湍流－燃烧封闭模型尚未发展成熟；另一方面燃烧放热对湍流发展的抑制作用尚未在超声速燃烧RANS数值模拟中得到考虑，迫切需要发展相应的可压缩燃烧－湍流模型。本项目结合数值模拟与理论分析，提出开展超声速流动中湍流与燃烧耦合作用的建模与分析研究。研究工作在分析流动可压缩效应对火焰内部结构影响机理的基础上，结合现有针对低速流动、扩散燃烧发展的湍流－燃烧模型，提出一种新的可压缩修正形式，以建立可用于模拟复杂流动的可压缩湍流－燃烧模型。另外，利用现有实验数据以及DNS模拟结果，研究燃烧放热效应对湍流结构影响的物理机理，建立可反映燃烧放热对湍流抑制作用的可压缩燃烧－湍流模型。针对所建立的可压缩湍流－燃烧模型和燃烧－湍流模型，开展在典型超声速燃烧流动中的应用研究，并分析流场中湍流与燃烧的耦合作用特征

本项目旨在开展超声速可压缩流动中湍流与燃烧两个物理过程相互作用的建模与分析研究，实际的研究基本按原计划开展，但有所调整及延拓。研究内容主要集中在三方面：基于火焰面模型的可压缩湍流燃烧模型建模研究、燃烧放热效应对可压缩湍流的影响研究以及超燃冲压发动机内部湍流燃烧流动的数值模拟研究。. 在基于火焰面模型的可压缩湍流燃烧模型建模研究中，首先对火焰面模型开展了理论分析，研究了高马赫数可压缩效应对源于低速流动的火焰面模型模拟的影响机制，在此基础上分别提出了两种可压缩湍流燃烧模型：基于交互式思想的火焰面模型以及可压缩火焰面/进度变量模型，并开展了数值验证工作。结果表明，交互式火焰面模型可有效反应当地可压缩效应的影响，而可压缩火焰面/进度变量更可准确捕捉自点火过程，同时对超声速湍流燃烧流动的温度、组分浓度的模拟精度较好。针对燃烧放热效应影响可压缩湍流机理开展的研究中，设计了包含扩散燃烧的超声速可压缩湍流边界层流动模型，详细研究了放热效应对雷诺应力、壁面摩阻/热流、速度/温度壁面标度律的影响规律，并理论推导了考虑燃烧放热效应的可压缩湍流边界层速度和温度壁面标度律。最后，在超燃冲压发动机内部湍流燃烧流动的数值模拟研究中，将以上可压缩湍流燃烧模型应用于几种实际发动机构型的数值模拟，并实现了对燃烧室内高温燃气辐射传热的计算。在此基础上，对燃烧室内部的热环境开展了分析，评估了壁面对流传热量与燃气辐射传热量的相对大小，发现尽管辐射热流具有可观量级，但其对总热流贡献仍然较小（<5%）。. 到目前为止，在Applied Thermal Engineering、Numerical Heat transfer A: Application, Combustion Theory and Modelling等杂志上共发表SCI论文6篇，另有2篇SCI论文在审。此外，本项目研究过程中发展和完善的CFD程序ACANS获得了软件著作权，登记号为2015SR139628。参加本项目研究的人员包括3名博士生、4名硕士生以及2名本科生。参研人员参加了国内会议2次，国际会议1次。此外，项目负责人与德国亚琛工业大学的Heinz Pitsch教授开展了可压缩火焰面/进度变量模型建模等方面的合作研究。