[发明专利]基于火焰面/进度变量模型的超声速湍流燃烧流动计算方法

说明书

本发明公开了一种基于火焰面/进度变量模型的超声速湍流燃烧流动计算方法，属于计算流体力学(CFD)领域。所述方法包括建立火焰面数据库、使用火焰面数据库进行RANS求解和建立进度变量源项的可压缩标度模型的步骤。本发明考虑自点火和熄火现象的火焰面/进度变量湍流燃烧模型，针对进度变量源项构造了一种具有明确物理意义的新型可压缩标度模型，从而令修正后的火焰面/进度变量模型可准确描述自点火和熄火过程，有效考虑流动的高马赫数效应，从而大幅提高对超声速湍流燃烧流动的模拟精度。本发明技术实现难度低，在使用时可以作为一种可压缩修正，只需作为子程序加入，而与CFD程序耦合计算时对原有程序的修改很少。

技术领域

本发明属于计算流体力学(CFD)领域，具体涉及基于火焰面/进度变量模型的超声速湍流燃烧流动计算方法。

背景技术

燃烧室是超燃冲压发动机的关键部件之一，而准确模拟燃烧室内的湍流燃烧流动是设计高性能燃烧室从而提高超燃冲压发动机整体性能的前提条件。超燃冲压发动机燃烧室内流动极其复杂，包含可压缩湍流、燃烧、激波/膨胀波系等多尺度多物理过程的相互作用。因此，数值模拟超燃冲压发动机燃烧室内燃烧流动的关键在于发展能考虑流动高马赫数效应的湍流燃烧精确计算方法。

由于燃烧化学反应发生在湍流小尺度上，雷诺平均(RANS)或大涡模拟(LES)对小尺度上的湍流行为均不直接分辨，因此需要湍流燃烧模型来描述小尺度上燃烧化学反应与湍流的相互干扰。现有技术中的湍流燃烧模型包括火焰面模型、PaSR模型、输运PDF模型、条件矩封闭模型等，但这些湍流燃烧模型均基于低马赫数假设建立，推广至超声速需引入可压缩修正来考虑流动高马赫数效应。其中火焰面类模型易于进行可压缩修正，得到了来自工业界和学术界更多的关注。然而，传统火焰面模型无法准确模拟自点火过程，为了克服这一缺陷，国外Pierce和Moin(Pierce C D,Moin P.Progress-variable approach forlarge-eddy simulation of non-premixed turbulent combustion[J].Journal offluid Mechanics,2004,504:73-97.)在传统火焰面模型的基础上提出了低马赫数流动的火焰面/进度变量模型，用进度变量取代之前的标量耗散率作为数据库中的控制变量，从而在数据库中可同时包括火焰面方程解的稳态燃烧、非稳态燃烧以及熄火解分支。考虑到自点火模拟对超声速燃烧模拟的重要性，应用火焰面/进度变量模型是未来超声速燃烧计算的趋势。但相较于火焰面模型，该火焰面/进度变量模型所需要的数据库中还要增加进度变量的化学反应源项，而该化学反应源项值对于流动高马赫数效应非常敏感，因此火焰面/进度变量可压缩修正的建立更为困难。直至如今，仍然缺少有效的能考虑高马赫数效应的火焰面/进度变量模型计算方法。

发明内容

为了准确捕捉燃烧的自点火和熄火现象，同时考虑超声速流动的高马赫数效应，从而准确模拟超燃冲压发动机燃烧室内的湍流燃烧流动，本发明提出了一种基于火焰面/进度变量模型的新型超声速湍流燃烧流动计算方法。

该发明的核心在于考虑自点火和熄火现象的火焰面/进度变量湍流燃烧模型，针对进度变量源项构造了一种具有明确物理意义的新型可压缩标度模型，从而令修正后的火焰面/进度变量模型可准确描述自点火和熄火过程，有效考虑流动的高马赫数效应，从而大幅提高对超声速湍流燃烧流动的模拟精度。

本发明所述的基于火焰面/进度变量模型的超声速湍流燃烧流动计算方法，包括如下步骤：

步骤1：建立火焰面数据库。

混合分数是度量燃料和氧化剂混合程度的物理量。通过引入混合分数可使得火焰内部结构和湍流混合过程的求解在数学形式上解耦。在混合分数空间采用渐近分析可得出火焰面方程组，求解火焰面方程组即可得到火焰内部结构，从而建立火焰面数据库。火焰面方程组如下：