CN113836830A - 基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法 - Google Patents

基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种驻涡燃烧室气体驻留时间特性评估方法，涉及航空涡轮发动机燃烧室设计领域和计算空气动力学领域，主要基于计算流体力学中欧拉场的思路建立特定气体对应质量分数和凹腔内累计驻留时间的输运方程。通过将建立的输运方程加入燃烧室流动仿真计算程序，计算特定气体对应质量分数和凹腔内累计驻留时间的三维空间分布。通过选定合适的统计截面，基于流场数据积分，计算所关注的气流在凹腔内的平均驻留时间。

Description

基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法
技术领域
本发明涉及航空涡轮发动机燃烧室设计领域和计算空气动力学领域，更具体地说，它涉及基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法及一种针对凹腔驻涡燃烧室内气体在驻涡回流区驻留时间的评估方法。
背景技术
驻涡燃烧室(Trapped Vortex Combustor，TVC)是一种利用燃烧室内驻涡腔实现火焰稳定的创新型燃烧室，具有在宽广的工作范围内性能稳定、地面/空中点火能量强、燃烧效率高、长度短、结构简单等特点。驻涡燃烧室主要由两部分组成：一个用于稳定火焰的驻涡值班级燃烧区和一个提供动力的主燃烧区。驻涡燃烧组织技术采用径向分级分区的设计思路：其中，双侧凹腔作为其主要的结构特征，承担驻涡区和值班级的作用，实现稳定火焰和小状态的燃烧组织；主流为主燃区和主燃级，和值班级一同承担大状态下的燃烧组织，由此实现燃烧室的分级分区燃烧组织方法。在驻涡区，空气进入凹腔并形成旋涡结构，旋涡结构由于远离主流，因此可以在更大的速度下实现火焰稳定；在主燃区，空气和燃油通过主流通道进入火焰筒，并在联焰板和钝体的辅助下和值班级的高温燃气快速掺混并燃烧。
驻涡燃烧室内凹腔值班级承担着小状态燃烧组织与大状态下火焰稳定的作用。其主要工作原理是通过在凹腔内形成驻定的回流区流场结构，增大可燃气体与已燃产物在值班级燃烧区内的驻留时间，从而提高值班火焰的稳定性和燃烧效率。因此，气体在凹腔回流区内驻留时间对驻涡燃烧室性能具有重要影响。因此，有必要建立合理可靠的凹腔内气体驻留时间定量评估方法，完善驻涡燃烧室设计方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，建立气体在特定空间内内驻留时间的欧拉输运方程，应用于驻涡燃烧室流动仿真，获得特定气体在驻涡燃烧室凹腔内驻留时间的空间分布，从而建立一种对驻涡燃烧室凹腔内气体驻留时间特性的定量评估方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，包括以下步骤：
S1：建立用于描述特定气体及其空间驻留时间的欧拉输运方程；
S2：根据建立的欧拉输运方程设置限定条件；
S3：对燃烧室内流场结构进行模拟计算，获得燃烧室稳态流场结构，选取燃烧室下游一预定截面进行统计，得到特定气体在特定空间内的平均驻留时间。
作为一种优选方案，S1过程中，欧拉输运方程具体如下：
Figure RE-GDA0003376195910000021
Figure RE-GDA0003376195910000022
其中，ρ是流场中当地气体的密度，U是速度矢量，D是组分扩散系数，t是流场仿真对应的物理时间，z表征所需追踪的特定气体在当地气体所占的质量分数，τres,z为特定气体z在特定空间范围内的驻留时间累积，与物理时间t具有相同的单位量纲，H为空间阶跃函数，用于判断当前位置是否位于特定空间内；
得到其数学表述为
Figure RE-GDA0003376195910000031
对以上欧拉输运方程的离散与数值求解，获得流场内所关注气体质量分数z和其对应的特定空间内驻留时间累积量τres,z的空间分布。
作为一种优选方案，S2过程中，限定条件具体包括加入特定气体对应质量分数和特定空间内累计驻留时间的初值条件和边界条件。
作为一种优选方案，S3过程具体包括以下步骤：
对欧拉输运方程的离散和数值求解，得到流场内特定气体质量分数z 和其对应的特定空间内驻留时间累积量τres,z的空间分布，通过对上述两个物理量的积分处理，得到流过流场内下游预定截面的特定气体在特定空间内的平均驻留时间，计算公式如下：
Figure RE-GDA0003376195910000032
其中，
Figure RE-GDA0003376195910000033
为截面A上微元面积矢量点乘的积分。
凹腔驻涡燃烧室内气体在驻涡回流区驻留时间的评估方法，基于上述的基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，包括驻涡值班级燃烧区和主燃烧区，驻涡值班级燃烧区包括凹腔前壁进气口和凹腔后壁进气口，驻涡值班级燃烧区内设有凹腔主涡回流区和凹腔副涡回流区，主燃烧区包括燃烧室主流进气口和燃烧室出口，主燃烧区相对驻涡值班级燃烧区的下游设有预定截面，其中S2种的限定条件包括如下：
混合z和凹腔内驻留时间累积量τres,z的全场初始值均设置为0；计算域中存在壁面和三个入口和一个出口设置相应的边界条件；壁面和出口均设置为零梯度边界条件；在凹腔前壁进气口设置 (z＝1,τres,z＝0)，在凹腔后壁进气口和燃烧室主流进气口设置 (z＝0,τres,z＝0)；阶跃函数H在仿真过程中保持不变，设置全场初值，不需设置边界条件；其中，在预定空间(如凹腔驻涡区域)的范围内设置为H＝1；其余位置设置为H＝0。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明基于计算流体力学中欧拉场标量输运方程原理，建立特定气体在凹腔驻涡回流区内平均驻留时间的欧拉场分布，并基于数据统计计算气体在凹腔回流区内平均驻留时间。该发明可用于驻涡燃烧室设计与优化分析。
附图说明
图1驻涡燃烧室凹腔内外结构与进气示意图。
其中：
1、凹腔前壁进气口；2、凹腔后壁进气口；3、燃烧室主流进气口；4、凹腔主涡回流区；5、副涡回流区；6、凹腔内空间示意区；7、预定截面；8、燃烧室出口。
具体实施方式
本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
本说明书及权利要求的上下左右等方位名词，是结合附图以便于进一步说明，使得本申请更加方便理解，并不对本申请做出限定，在不同的场景中，上下、左右、里外均是相对而言。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
首先，建立用于描述特定气体及其空间驻留时间的欧拉输运方程:
Figure RE-GDA0003376195910000051
Figure RE-GDA0003376195910000052
其中，ρ是流场中当地气体的密度，U是速度矢量，D是组分扩散系数，t是流场仿真对应的物理时间，z表征所需追踪的特定气体在当地气体所占的质量分数，τres,z为特定气体z在特定空间范围内 (凹腔内)的驻留时间累积，与物理时间t具有相同的单位量纲。H为空间阶跃函数，用于判断当前位置是否位于凹腔内，
其数学表述为
Figure RE-GDA0003376195910000061
基于对以上连个欧拉输运方程的离散与数值求解，即可获得流场内所关注气体质量分数z和其对应的凹腔内驻留时间累积量τres,z的空间分布。通过对以上两个物理量的积分处理，即可获得流过流场内某截面的所关注气体在凹腔内平均驻留时间，即
Figure RE-GDA0003376195910000062
其中，
Figure RE-GDA0003376195910000063
为截面A上微元面积矢量点乘的积分。
实施例，如图1所示：
驻涡燃烧室设计中普遍采用的基于双涡流场结构与进气示意图。一般认为在驻涡区参与燃烧的空气主要来自于凹腔前壁进气口1。因此，本文以凹腔前壁进气口1所流入的空气在凹腔内空间示意区6的平均驻留时间为例，介绍本发明的实施方式。
步骤一：在基于计算流体力学的燃烧室流动仿真计算程序内加入方程(1)和(2)的离散与求解方法。
步骤二：在燃烧室流动仿真的前处理中加入针对方程(1)和(2) 的初始条件和边界条件。混合z和凹腔内驻留时间累积量τres,z的全场初始值均设置为0。计算域中存在壁面和三个入口(凹腔前壁进气口 1、凹腔后壁进气口2和燃烧室主流进气口3和一个出口(燃烧室出口8)需要设置相应的边界条件。其中，壁面和出口均设置为零梯度边界条件；在凹腔前壁进气口1设置(z＝1,τres,z＝0)，在凹腔后壁进气口2和燃烧室主流进气口3设置(z＝0,τres,z＝0)。阶跃函数H在仿真过程中保持不变，只需设置全场初值，不需设置边界条件。其中，对应于凹腔驻涡区6所在的区域设置为H＝1；其余位置设置为H＝0。
步骤三：对燃烧室内流场结构进行数值模拟计算，获得燃烧室稳态流场结构。基于仿真结果，选取预定截面7区域进行方程(4)定义的统计，即可获得凹腔前壁进气口1流入空气在凹腔区域6范围内的平均驻留时间。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立用于描述特定气体及其空间驻留时间的欧拉输运方程；
S2：根据建立的欧拉输运方程设置限定条件；
S3：对燃烧室内流场结构进行模拟计算，获得燃烧室稳态流场结构，选取燃烧室下游一预定截面(7)进行统计，得到特定气体在特定空间内的平均驻留时间。
2.根据权利要求1所述的基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，其特征在于，所述S1过程中，欧拉输运方程具体如下：
Figure RE-FDA0003376195900000011
Figure RE-FDA0003376195900000012
其中，ρ是流场中当地气体的密度，U是速度矢量，D是组分扩散系数，t是流场仿真对应的物理时间，z表征所需追踪的特定气体在当地气体所占的质量分数，τres,z为特定气体z在特定空间范围内的驻留时间累积，与物理时间t具有相同的单位量纲，H为空间阶跃函数，用于判断当前位置是否位于特定空间内；
得到其数学表述为
Figure RE-FDA0003376195900000013
对以上欧拉输运方程的离散与数值求解，获得流场内所关注气体质量分数z和其对应的特定空间内驻留时间累积量τres,z的空间分布。
3.根据权利要求1所述的基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，其特征在于，所述S2过程中，限定条件具体包括加入特定气体对应质量分数和特定空间内累计驻留时间的初值条件和边界条件。
4.根据权利要求1所述的基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，其特征在于，所述S3过程具体包括以下步骤：对欧拉输运方程的离散和数值求解，得到流场内特定气体质量分数z和其对应的特定空间内驻留时间累积量τres,z的空间分布，通过对上述两个物理量的积分处理，得到流过流场内下游预定截面(7)的特定气体在特定空间内的平均驻留时间，计算公式如下：
Figure RE-FDA0003376195900000021
其中，
Figure RE-FDA0003376195900000022
为截面A上微元面积矢量点乘的积分。
5.凹腔驻涡燃烧室内气体在驻涡回流区驻留时间的评估方法，基于权利要求1至4任一所述的基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，其特征在于，包括驻涡值班级燃烧区和主燃烧区，驻涡值班级燃烧区包括凹腔前壁进气口(1)和凹腔后壁进气口(2)，驻涡值班级燃烧区内设有凹腔主涡回流区(4)和凹腔副涡回流区(5)，主燃烧区包括燃烧室主流进气口(3)和燃烧室出口(8)，主燃烧区相对驻涡值班级燃烧区的下游设有预定截面(7)，其中S2种的限定条件包括如下：
混合z和凹腔内驻留时间累积量τres,z的全场初始值均设置为0；计算域中存在壁面和三个入口和一个出口设置相应的边界条件；壁面和出口均设置为零梯度边界条件；在凹腔前壁进气口(1)设置(z＝1,τres,z＝0)，在凹腔后壁进气口(2)和燃烧室主流进气口(3)设置(z＝0,τres,z＝0)；阶跃函数H在仿真过程中保持不变，设置全场初值，不需设置边界条件；其中，凹腔驻涡区域(6)内设置为H＝1；其余位置设置为H＝0。
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