题目：多点喷射燃烧室数值模拟研究

本文用数值模拟方法研究了旋流杯下游气流场，常规单头部燃烧室和多点喷射燃烧室的冷态流场及液雾燃烧特性，以及气态燃料的湍流扩散火焰。目的是：(1)研究多点喷射燃烧室冷态流场和液雾燃烧特性，为今后的多点喷射燃烧室结构设计提供依据；(2)对航空发动机燃烧室中的湍流流动和液雾燃烧数值计算的工程适用性问题进行研究和验证；(3)探讨物性参数和模型参数对液雾燃烧模拟结果的影响。本文首先进行多点喷射燃烧室的结构设计，头部采用3×3个结构相同的旋流器，且这9个旋流器的总进气量与单头部燃烧室中头部的双径向旋流杯进气量相等，其余结构（包括主燃孔、掺混孔和冷却气膜带等）相同，以此使设计的多点喷射燃烧室和作为比较基准的单头部燃烧室气量分配相同。多点喷射燃烧室中旋流器结构分别采用径向和轴向2种设计。接下来，为选择合适的湍流模型，用商业CFD 软件FLUENT 对双径向旋流杯下游流场进行数值模拟，选用可实现k −ε湍流模型(RKE)和雷诺应力湍流模型(RSM)，并将计算结果与实验结果进行对比。结果显示，RKE 能兼顾工程需求和计算效率，故下文计算均采用RKE 湍流模型。多点喷射燃烧室冷态流场，在旋流器出口形成9个以各旋流器为中心的回流区。随着流动向下游发展，这9个回流区逐渐掺混，相互影响加剧，并最终在靠近主燃孔处融合，此时的回流区形状与单头部燃烧室在该位置的回流区形状极为相似。带主燃孔的多点喷射燃烧室，由于三维效应，在主燃孔附近原本已结束的回流区又重新形成；而不带主燃孔时则不存在这种三维效应，回流区在主燃孔前结束。研究的第三部分首先分别用小火焰模型(FLM)、漩涡破碎模型(EBU)和涡团耗散概念模型(EDC)模拟甲烷气体射流的湍流扩散火焰，并与实验结果进行对比，发现FLM对温度和反应物的预报结果优于EBU 和EDC。接着用这3 个燃烧模型分别模拟单头部燃烧室的液雾燃烧过程，分析结果发现FLM 模型由于基于快速反应假设且用于确定燃烧状态的守恒标量不守恒而不适用于航空发动机燃烧室的液雾燃烧过程；EBU 和EDC 模型的模拟结果更符合物理实际。同时，在燃烧室的液雾燃烧模拟中采用离散相模型和空气辅助雾化喷嘴模型模拟喷嘴的雾化特性，并用P-1辐射模型和DO辐射模型估算辐射通量，分析了喷雾张角、燃油和气体的物性参数以及模型参数对模拟结果的影响，对比主燃区当量比大于1和小于1两种边界条件下的计算结果，再次验证物理模型的选用和参数的设定是否正确。然后，用前面证明的适合的燃烧模型、喷雾张角、物性参数和模型参数对多点喷射燃烧室中的液雾燃烧过程进行模拟，分析了油膜位置对多点喷射燃烧室的雾化特性的影响，研究了燃烧模型和主燃区不同当量比对多点喷射燃烧室的影响。对比相同模拟方法和边界条件下的多点喷射燃烧室和单头部燃烧室的液雾燃烧模拟结果，表明多点喷射燃烧室的出口温度分布更加均匀。论文还对预测燃烧室贫油熄火边界的方法进行了文献调研和初步探索，综述了传统的模型方法和结合CFD 的数值计算方法，为下一步考察和预测多点喷射燃烧室的贫熄特性奠定了基础。本文的计算结果对今后航空发动机燃烧室液雾燃烧过程的数值模拟以及多点喷射燃烧室的结构设计和性能改进具有一定的参考价值。