[发明专利]一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及系统。该方法包括：建立燃油‑气体‑液滴多相流物理模型；基于燃油‑气体‑液滴多相流物理模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况；根据中心速度场和流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分；采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化；将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点；对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。本发明具有计算量小、稳定性高、液体属性可调整、液滴轨迹可追踪等优势。

技术领域

本发明涉及飞行器性能预测技术领域，特别是涉及一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及系统。

背景技术

飞行器性能的提高和污染物排放的降低离不开航空发动机技术的进步。在航空发动机领域中，燃烧室是构成发动机核心机的关键组件。目前所有的航空发动机燃烧室都需要借助液体燃油的雾化破碎、蒸发燃烧过程来提供飞行器动力。因此，液体燃油在燃烧室中的雾化破碎过程将直接影响发动机的整体性能表现。在这一过程中，液体燃料通过燃油喷嘴内部形成旋转连续射流，与周围或掺混空气发生强烈的相互作用，经历一次、二次破碎，形成直径小且易于蒸发的燃油液滴，最后在高温高压高旋流的环境中蒸发与燃烧。

对于燃油的雾化性能来说，目前主要有三种方法进行仿真预测：

第一种是基于界面追踪的欧拉网格方法，将气液两相均看作连续性流体，共用一套控制方程求解两相流动，在界面上进行额外处理以保持计算的稳定性。该方法虽然可以精确地复现液柱液膜表面发生波动并产生液滴的过程，却难以应用到真实航空发动机燃油雾化数值模拟中。

第二种方法是基于颗粒轨道追踪(DPM)的拉格朗日颗粒动力学方法，该方法将气相作为连续相，将液相模化为拉格朗日液包或粒子以模拟破碎后的液滴行为，液滴的运动过程分解为受冲力支配的瞬时碰撞运动及受流体曳力控制的悬浮运动，从而建立了液滴运动分解模型。第二种方法需要结合实验修正射流破碎过程，这种方法依赖于从喷嘴出口射出的球形液包的拉格朗日描述并且忽略了相界面运动的所有细节。虽然该方法计算量得到了降低，但是牺牲了射流破碎真实过程的描述，无法通过模拟结果研究雾化破碎机理。

第三种方法是欧拉界面追踪与颗粒轨道追踪相耦合的方法，如VOF-DPM 耦合方法，对于航空发动机燃油的一次雾化过程采用VOF界面追踪方法进行描述，对于燃油破碎形成的液滴的运动采用DPM颗粒轨道追踪方法进行描述，该方法充分结合了界面追踪法和轨道追踪法的优势，可以描述燃油经过一次雾化和二次雾化直到蒸发燃烧的过程。虽然第三种方法充分结合了界面追踪法和轨道追踪法的优势，相比完全界面追踪法来说提高了计算效率，但是对于实际航空发动机来说，燃烧室中燃油经一次雾化之后形成的小液滴的数量同样巨大，对每个小液滴均采用轨道追踪的方法进行描述同样将消耗大量的资源，同时液滴间还存在碰撞反弹、碰撞聚合、碰撞破碎等复杂的相互作用，对其进行细粒度的追踪同样将花费大量的时间。另外，颗粒轨道追踪方法对于液滴间的碰撞采用的是碰撞概率模型，无法获得液滴间的碰撞细节，计算的准确性存在一定的不足。因此，在此基础上发展更加快速高效同时具有较高计算精度的仿真技术，对航空发动机燃油喷嘴雾化性能的评估来说将具有重大意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，包括：

建立航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型；所述三维几何模型为网格模型；；

基于所述三维几何模型，建立燃油-气体-液滴多相流物理模型；所述燃油 -气体-液滴多相流物理模型包括对燃油-气体两相流物理模型、气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型；