[發明專利]基于歐拉場輸運方程的駐渦燃燒室氣體駐留時間評估方法

在審

• 申請號: 202110773211.9
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113836830A
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 龔誠;何小民;郭煜璽;張秋風;邱名;郝顏;趙姝帆
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心空天技術研究所
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/11;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 重慶市信立達專利代理事務所(普通合伙) 50230
• 代理人: 劉潔

本發明公開了一種駐渦燃燒室氣體駐留時間特性評估方法，涉及航空渦輪發動機燃燒室設計領域和計算空氣動力學領域，主要基于計算流體力學中歐拉場的思路建立特定氣體對應質量分數和凹腔內累計駐留時間的輸運方程。通過將建立的輸運方程加入燃燒室流動仿真計算程序，計算特定氣體對應質量分數和凹腔內累計駐留時間的三維空間分布。通過選定合適的統計截面，基于流場數據積分，計算所關注的氣流在凹腔內的平均駐留時間。

技術領域

本發明涉及航空渦輪發動機燃燒室設計領域和計算空氣動力學領域，更具體地說，它涉及基于歐拉場輸運方程的駐渦燃燒室氣體駐留時間評估方法及一種針對凹腔駐渦燃燒室內氣體在駐渦回流區駐留時間的評估方法。

背景技術

駐渦燃燒室(Trapped Vortex Combustor，TVC)是一種利用燃燒室內駐渦腔實現火焰穩定的創新型燃燒室，具有在寬廣的工作范圍內性能穩定、地面/空中點火能量強、燃燒效率高、長度短、結構簡單等特點。駐渦燃燒室主要由兩部分組成：一個用于穩定火焰的駐渦值班級燃燒區和一個提供動力的主燃燒區。駐渦燃燒組織技術采用徑向分級分區的設計思路：其中，雙側凹腔作為其主要的結構特征，承擔駐渦區和值班級的作用，實現穩定火焰和小狀態的燃燒組織；主流為主燃區和主燃級，和值班級一同承擔大狀態下的燃燒組織，由此實現燃燒室的分級分區燃燒組織方法。在駐渦區，空氣進入凹腔并形成旋渦結構，旋渦結構由于遠離主流，因此可以在更大的速度下實現火焰穩定；在主燃區，空氣和燃油通過主流通道進入火焰筒，并在聯焰板和鈍體的輔助下和值班級的高溫燃氣快速摻混并燃燒。

駐渦燃燒室內凹腔值班級承擔著小狀態燃燒組織與大狀態下火焰穩定的作用。其主要工作原理是通過在凹腔內形成駐定的回流區流場結構，增大可燃氣體與已燃產物在值班級燃燒區內的駐留時間，從而提高值班火焰的穩定性和燃燒效率。因此，氣體在凹腔回流區內駐留時間對駐渦燃燒室性能具有重要影響。因此，有必要建立合理可靠的凹腔內氣體駐留時間定量評估方法，完善駐渦燃燒室設計方法。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于歐拉場輸運方程的駐渦燃燒室氣體駐留時間評估方法，建立氣體在特定空間內內駐留時間的歐拉輸運方程，應用于駐渦燃燒室流動仿真，獲得特定氣體在駐渦燃燒室凹腔內駐留時間的空間分布，從而建立一種對駐渦燃燒室凹腔內氣體駐留時間特性的定量評估方法。

本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的：

基于歐拉場輸運方程的駐渦燃燒室氣體駐留時間評估方法，包括以下步驟：

S1：建立用于描述特定氣體及其空間駐留時間的歐拉輸運方程；

S2：根據建立的歐拉輸運方程設置限定條件；

S3：對燃燒室內流場結構進行模擬計算，獲得燃燒室穩態流場結構，選取燃燒室下游一預定截面進行統計，得到特定氣體在特定空間內的平均駐留時間。

作為一種優選方案，S1過程中，歐拉輸運方程具體如下：

其中，ρ是流場中當地氣體的密度，U是速度矢量，D是組分擴散系數，t是流場仿真對應的物理時間，z表征所需追蹤的特定氣體在當地氣體所占的質量分數，τ_res,z為特定氣體z在特定空間范圍內的駐留時間累積，與物理時間t具有相同的單位量綱，H為空間階躍函數，用于判斷當前位置是否位于特定空間內；

得到其數學表述為

對以上歐拉輸運方程的離散與數值求解，獲得流場內所關注氣體質量分數z和其對應的特定空間內駐留時間累積量τ_res,z的空間分布。

作為一種優選方案，S2過程中，限定條件具體包括加入特定氣體對應質量分數和特定空間內累計駐留時間的初值條件和邊界條件。