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预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟（Ⅱ）数值模拟结果及
分析
预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟(Ⅱ)数值模拟结果及分析
用三维湍流N-S方程和单步快速不可逆化学反应描述液氧-煤油液体火箭发动机预燃室内的三维湍流和燃烧过程.采用同位网格和SIMPLE算法求解控制方程,得到了喷注单元和预燃室内参数的详细分布.结果表明,预燃室结构设计合理,其出口处燃气浓度、温度分布均匀,质量加权平均温度与实际温度接近.同时表明,预燃室头部的喷注单元和液氧二次喷注孔的结构排列,喷注单元的流动和燃烧状况,液氧二次喷注孔的入口参数等,对预燃室出口燃气温度等参数分布的均匀性影响很大.
作者：冯喜平何洪庆葛李虎作者单位：冯喜平,何洪庆(西北工业大学,航天工程学院,陕西,西安,710072)
葛李虎(陕西动力机械设计研究所,陕西,西安,710100)
刊名：推进技术ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY 年，卷(期)：2002 23(3) 分类号：V434.13 关键词：液体推进剂火箭发动机预燃室三维流湍流燃烧反应流数值仿真。
加力燃烧室湍流两相流动与燃烧的数值模拟的开题报告1. 研究背景和意义随着发动机性能的不断发展和提高，越来越多的发动机需要使用高压燃烧技术，其中加力燃烧室是一种常见的应用。
在加力燃烧室中，高温高压气体加速进入燃烧室，与燃料相混合后进行燃烧反应。
加力燃烧室的工作过程受到许多因素的影响，如两相流动的湍流流动和燃烧。
因此，研究加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程，对于提高发动机的工作效率和性能具有重要意义。
2. 研究现状目前，对于加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程的研究主要是通过计算流体力学（CFD）数值模拟来实现的。
在湍流流动方面，常用的模拟方法包括Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS）模型、无网格方法以及直接数值模拟（DNS）。
在燃烧方面，主要研究化学反应机理和燃烧模型。
然而，由于加力燃烧室的复杂性和计算量的限制，目前的数值模拟方法还存在一些局限，如预测不准确和计算时间长等问题。
3. 研究内容和方法本文将采用CFD数值模拟方法，对加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程进行研究。
具体研究内容包括：（1）探究加力燃烧室中两相流动的特征和运动状态，建立相应的数学模型。
（2）应用RANS模型和无网格方法，分析加力燃烧室中的湍流流动特性，并分析其对燃烧过程的影响。
（3）采用化学反应机理和燃烧模型，模拟燃烧反应的过程，分析燃烧产物的形成及其在燃烧室中的分布和作用过程。
（4）通过模拟结果和实验数据的对比，验证所建立的数学模型的准确性和可靠性。
4. 预期成果和创新点本文的预期成果包括：（1）建立加力燃烧室湍流两相流动和燃烧的数学模型，并对其进行数值模拟计算。
（2）深入理解加力燃烧室的流动和燃烧特性，揭示其内在机理。
（3）验证所建立的数学模型的准确性和可靠性，并提出改进意见。
本文的创新点在于：（1）针对加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程进行了全面系统的研究和探讨，为加力燃烧室的设计和优化提供了理论支持。
（2）采用多种数值模拟方法和化学反应机理，对加力燃烧室的流动和燃烧过程进行了深入分析和研究，为燃烧理论的应用和发展提供了新思路。
湍流数值模拟及其在工程热力学中的应用湍流是自然界和工程中广泛存在的一种流动状态，其具有不规则、不稳定、非线性等特点。
因此，湍流研究成为了流体力学中的一个重要分支。
湍流数值模拟（Large Eddy Simulation）是目前研究湍流问题的重要手段之一，广泛应用于工程热力学中。
湍流数值模拟技术的发展历程湍流数值模拟技术起源于20世纪50年代，当时主要应用于理论模拟。
20世纪80年代后，随着计算机技术的发展，数值模拟技术应用于实际工程中，并得到广泛应用。
近年来，由于计算机性能的不断提高和算法的不断改进，湍流数值模拟技术越来越成熟，其应用范围也更加广泛。
湍流数值模拟技术的基本原理湍流数值模拟技术的基本原理是将流场分为宏观湍流和微观湍流两部分，并通过不同方法对二者进行模拟。
具体而言，宏观湍流采用平均场方程进行模拟，微观湍流则通过小尺度涡结构之间的相互作用进行模拟。
在湍流数值模拟过程中，关键是要准确地描述湍流的能量转移和钝化机制，以便合理地模拟湍流特性。
目前，湍流数值模拟技术主要有两种方法：直接数值模拟和大涡模拟。
直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）是最为精确的湍流数值模拟方法，它直接求解完整的Navier-Stokes方程，但计算量也是最大的。
而在工程应用中，一般采用次网格模型，采用模型对小尺度湍流进行近似处理，减少计算量。
其中，大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）是一种很有代表性的方法，它将外部湍流场分解为大尺度湍流和小尺度湍流两部分，对大尺度湍流进行直接数值模拟，对小尺度湍流采用模型进行处理。
湍流数值模拟在工程热力学中的应用湍流数值模拟技术在工程热力学中有着广泛的应用。
具体而言，湍流数值模拟可以用来模拟涡流管道的流动、火焰、燃烧室和喷气发动机等复杂流场问题。
下面，我们将从两个方面来介绍湍流数值模拟在工程热力学中的应用：（1）流体力学问题湍流数值模拟技术在流体力学问题中得到了广泛应用，例如现代汽车设计中对车身和车厢空气动力学的研究，对于气动设计、噪声控制和气密性等方面的分析有很大的帮助。
湍流燃烧数值模拟的研究与进展湍流燃烧是指在燃烧过程中，燃料与氧化剂在湍流的条件下相遇和反应。
湍流燃烧数值模拟是一种通过计算机模拟湍流燃烧过程的方法，可以提供燃烧器内部的流场和温度分布等信息，对于燃烧器的设计和优化具有重要的意义。
本文将对湍流燃烧数值模拟的研究与进展进行探讨。
首先，湍流模型的选择是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
湍流现象十分复杂，需要选择适当的湍流模型来模拟湍流流动。
常用的湍流模型有雷诺平均应力模型(RANS)和大涡模拟(LES)。
RANS是一种将湍流场分为均匀部分和涡旋部分的统计方法，适用于模拟湍流较为稳定的情况；而LES则能模拟较为精细的湍流结构，但计算量较大。
根据具体问题的复杂程度和计算资源的限制，选择适当的湍流模型具有重要意义。
其次，化学反应模型的建立是湍流燃烧数值模拟的另一个关键问题。
燃烧过程中涉及到多种化学反应，需要建立合适的化学反应模型来描述燃烧反应。
常见的化学反应模型有简化化学反应模型和详细化学反应模型。
简化化学反应模型基于简化的反应机理，计算速度较快；而详细化学反应模型则基于包含大量反应步骤的反应机理，计算速度较慢但结果更精确。
根据具体问题的要求和计算资源的限制，选择适合的化学反应模型具有重要意义。
此外，边界条件的设定也是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
边界条件的合理设定可以保证计算结果的准确性。
常用的边界条件有Inflow Boundary Condition、Outflow Boundary Condition、Wall Boundary Condition等。
对于湍流燃烧数值模拟，还需要考虑湍流场的边界条件，例如由湍流脉动引起的湍流输运方程中的涡粘性项的边界条件等。
最后，计算方法的选择也对湍流燃烧数值模拟的结果和计算速度有着重要的影响。
常用的计算方法有有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)等。
这些方法在计算精度和计算速度方面各有优势，需要根据具体问题的要求选择适当的方法。
航空器用发动机的湍流与燃烧过程模拟航空器的发动机是其最重要的组成部分之一，其性能直接影响着飞行安全、燃料消耗和环境影响等方面。
为了提高发动机的效率和减少尾气污染，湍流与燃烧过程模拟技术被广泛应用于发动机设计和优化中。
通过数值模拟的方法，研究人员可以更加深入地了解发动机中湍流流动和燃烧过程的细节，从而优化设计和改进性能。
湍流是气体或液体流动中的一种复杂运动状态，其特征是速度和压力的随机波动。
在航空器发动机中，湍流现象普遍存在，并且对燃烧的过程和发动机整体效率有重要影响。
因此，研究湍流流动与燃烧过程的模拟成为了提高航空器发动机性能的关键步骤之一。
湍流模拟技术可以通过数值计算方法来模拟湍流运动。
其中，最常用的方法是雷诺平均Naiver-Stokes（RANS）方程求解。
该方法基于一组假设，将湍流的平均效应和湍流的波动效应分离开来。
通过求解雷诺平均Naiver-Stokes方程，可以获得湍流流场的平均速度、压力分布和湍流能量的分布情况。
这些结果对于设计师来说十分有价值，可以帮助他们优化燃烧室的几何形状和喷嘴结构，从而提高燃烧效率和降低氮氧化物等有害物质的排放。
另一个重要的方面是燃烧过程的模拟。
在航空器发动机中，燃料与空气混合并着火燃烧产生能量，推动发动机工作。
为了模拟燃烧过程，一般采用化学反应动力学模型，其中燃料和氧气的反应速率是关键参数之一。
通过对燃烧过程的模拟，可以预测燃烧室内的温度、压力和燃料的分布情况，进而优化燃烧过程和燃烧室的设计。
这种模拟方法可以帮助工程师评估不同燃料和空气比的情况下的燃烧效果，从而选择最佳的燃料组合和燃烧参数。
湍流与燃烧过程模拟的关键挑战之一是计算资源的需求。
由于湍流与燃烧过程的模拟需要包含大量的物理现象和化学反应，并且涉及到复杂的流动和温度变化，所以需要大量的计算资源来进行模拟。
为了解决这一问题，研究人员和工程师使用了各种高性能计算技术和并行计算方法来提高计算效率，并减少计算时间。
湍流燃烧数值模拟的研究与进展湍流燃烧是指在燃烧过程中，燃料与氧气的混合和燃料的燃烧过程都受到湍流的影响。
湍流燃烧的数值模拟是研究湍流燃烧的重要手段之一，对于理解湍流燃烧过程、改善燃烧效率和降低污染物排放具有重要意义。
本文将对湍流燃烧数值模拟的研究与进展进行详细介绍。
湍流燃烧数值模拟是通过计算流体力学方法，对湍流燃烧过程中流体流动和燃烧反应的数值模拟。
它可以提供详细的流场和燃烧反应的信息，如速度场、温度场、浓度场和压力场等。
湍流燃烧数值模拟主要包括湍流模型和燃烧模型两部分。
湍流模型是描述湍流流动的数学模型，常用的有雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）模型和大涡模拟（LES）模型。
RANS模型通过平均化处理来描述湍流，适用于高雷诺数流动，但对湍流涡结构和湍流耗散率的预测比较有限。
LES模型通过直接解决大尺度湍流结构，能够更准确地模拟湍流行为，但计算量较大。
近年来，混合RANS/LES模型和基于人工神经网络的模型等新兴模型也得到了广泛应用。
燃烧模型是描述燃烧反应的数学模型，常用的有化学动力学模型和乘数离散方法。
化学动力学模型是基于化学反应速率方程，描述燃烧反应速率。
乘数离散方法是一种解耦的方法，将燃烧反应和流动动力学分开求解，适用于高雷诺数湍流燃烧。
近年来，模型还包括了湍流-化学耦合模型，用于描述湍流和燃烧反应之间的相互作用。
湍流燃烧数值模拟在工程和科学研究中得到了广泛应用。
在火力发电、内燃机燃烧和燃煤燃烧等过程中，湍流燃烧数值模拟可以用于优化燃烧器设计、降低燃料消耗和污染物排放等。
在燃烧领域的科学研究中，湍流燃烧数值模拟为理解燃烧机理、预测燃烧性能和开发新型燃料提供了重要工具。
然而，湍流燃烧数值模拟仍然面临一些挑战。
首先，湍流燃烧过程涉及到复杂的物理和化学过程，模型的准确性仍然有待提高。
其次，湍流燃烧数值模拟的计算量较大，耗时较长，需要更高的计算能力。
此外，湍流涡结构的尺度范围较广，涡旋之间的相互作用复杂，对数值模拟的网格尺寸和网格生成有较高的要求。
湍流燃烧及其数值模拟研究1. 湍流燃烧1.1湍流燃烧基本概念当流动雷诺数数较小时，由于流体粘性的作用，流体呈层流流态。
当流动的特征雷诺数超过相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。
湍流燃烧是指湍流流动中可燃气的燃烧，在能源、动力、航空和航天等工程领域,经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程。
湍流燃烧实质是湍流，化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。
湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。
小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加，从而使化学反应速率增加。
但气流脉动不会火焰面产生皱褶，只能把火焰变成波纹状。
大尺度湍流对火焰内部结构没有影响，但使火焰阵面出现皱褶，增加其燃烧面积，造成火焰表现传播速度增加。
当湍流强度及湍流尺度均较大时，火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。
燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀，影响气体的密度和运动速度，从而影响当地的涡旋，湍流强度和湍流结构。
1.2湍流燃烧分类湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为：湍流非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。
在湍流非预混燃烧燃料和氧化剂事先是分离的，燃料和氧化剂一边混合一边燃烧，燃烧速率主要受湍流混合过程控制，而在湍流预混燃烧中，燃料和氧化剂在进入核心燃烧区以前已经充分混合，化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反应区的传播所控制。
上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形，很多情况下两种燃烧模式是并存的，称为部分预混燃烧。
部分预混燃烧可出现在下列情形中叫：(1)在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置发牛了局部熄火；(2)当预混火焰前缘穿过非均匀的混气时；(3)射流非预混火焰发生抬举，其根部是一个典型的部分预混火焰。
这三种部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等，它们对研究湍流燃烧过程的机理有很大意义。
在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响.湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流,如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容.湍流是非常复杂的，它包括湍流问题，湍流与燃烧的相互作用，流动参数与化学动力参数之间的耦合机理等问题。
引言近年来，湍流燃烧模型和计算方法的研究进展很快，其中概率密度函数（PDF）方法就是其中的一种比较新的方法。
PDF方法主要是通过求解速度和化学热力学参数的联合概率密度函数的输运方程来求解湍流燃烧问题的。
在这个方程中，与湍流输运和化学方应速率的有关的项都是以封闭的形式出现，避免了建立模型模拟，因此得到的结果更加精确，但是与分子黏性和压力梯度有关的项还需要模拟。
同时，知道了速度和化学热力学参数的联合密度函数之后，可以求出它们任意阶的统计矩，因此PDF可以提供比统计矩模型更多的信息。
1 PDF方法简介湍流燃烧中的控制方程中共涉及到速度、化学组分和生成焓等参数，我们可以定义一组（σ个）标量 αΦ：假定湍流满足统计规律。
在时刻t，空间坐标为的点上，3个速度分量和σ个标量 αΦ可以用δ函数的乘积来表示：其中iv和αψ是相空间的坐标。
所有实现的平均就是湍流在这点上的概率密度函数：其中概率密度函数满足下面的方程：其中概率密度函数方程中右边的第一项表示平均压力梯度和体积力引起的概率密度函数在速度空间里的位移，第二项表示化学反应引起的概率密度函数在标量空间里的位移，这两项所涉及的都是单点相关的概率密度函数，因此可以精确计算，不需要模型模拟。
而第三项和第四项为分子黏性扩散和脉动压力梯度的条件平均值，这些项涉及到了两点相关，是不封闭项，因此需要模拟。
关于PDF方程的数值解法，由于方程涉及到的自变量有σ+6个，因此很难用通常的有限差分法和有限元法求解，需要采用Monte Carlo方法。
在该方法中，动量和标量的输运方程被转化为Lagrange方程。
概率密度函数并不是被直接求解出来，而是由大量的具有速度和标量值以及满足上述Lagrange方程的计算颗粒统计来获得。
对于复杂机理的有限反应速率的化学反应流来说，这种数值方法会引致巨大甚至无法实现的计算量。
2 PDF方法的特点PDF方法主要是通过求解速度和化学热力学参数的联合概率密度函数的输运方程来求解湍流燃烧问题的。
《高等计算流体力学》课程作业湍流的数值模拟方法进展1概述自然环境和工程装置中的流动常常是湍流，模拟任何实际过程首先遇到的就是湍流问题，而湍流问题本身又是流体力学理论上的难题。
对于某些简单的均匀时均流场，如果湍流脉动是各向均匀及各向同性的，可以用经典的统计理论来分析，但实际上的湍流往往是不均匀的，给理论分析带来了极大困难。
湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，表现出非常复杂的流动状态，主要表现在湍流流动的随机性、有旋性、统计性。
传统计算流体力学中描述湍流的基础是Navier-Stokes（N-S）方程，根据N-S方程中对湍流处理尺度的不同，湍流数值模拟方法主要分为：直接数值模拟（DNS）、雷诺平均方法（RANS）和大涡模拟（LES）。
直接数值模拟可以获得湍流场的精确信息，是研究湍流机理的有效手段，但现有的计算资源往往难以满足对高雷诺数流动模拟的需要，从而限制了它的应用范围。
雷诺平均方法可以计算高雷诺数的复杂流动，但给出的是平均运动结果，不能反映流场脉动的细节信息。
大涡模拟基于湍动能传输机制，直接计算大尺度涡的运动，小尺度涡运动对大尺度涡的影响则通过建立模型体现出来，既可以得到比雷诺平均方法更多的诸如大尺度涡结构和性质等的动态信息，又比直接数值模拟节省计算量，从而得到了越来越广泛的发展和应用。
2 雷诺平均方法(RANS)雷诺平均模拟（RANS）即应用湍流统计理论，将非定常的N - S方程对时间作平均，求解工程中需要的时均量。
利用湍流模式理论，对Reynolds应力做出各种假设，即假设各种经验的和半经验的本构关系，从而使湍流的平均Reynolds方程封闭。
2.1控制方程对非定常的N - S 方程作时间演算，并采用Boussinesp 假设，得到Reynolds 方程''21i j i i i j i j j j j ju u u u u p u f v t x x x x x ρ∂∂∂∂∂+=-+-∂∂∂∂∂∂ =0i i u x ∂∂ 式中，附加应力可记为''ij i j pu u τ=-，称为雷诺应力。
