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航空动力学报
JournalofAerospacePower
ISSN1000-8055,CN11-2297/V
《航空动力学报》网络首发论文
题目:AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验
作者:王煜栋,王方,周佳伟,金捷
DOI:.
收稿日期:2022-04-15
网络首发日期:2022-08-02
引用格式:王煜栋,王方,周佳伟,-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件
研发与检验[J/OL].:///
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췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-08-0215:10:11
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航空动力学报
JournalofAerospacePower
文章编号:1000-8055(XXXX)XX-0001-XXdoi:.
AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟
软件研发与检验
王煜栋1,王方1,2,3*,周佳伟1,金捷1,2,3
(,北京100191;
,成都611930;
,南昌330096)
摘要:针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求,基于浸没边界方法(IBM)及大涡模拟-输运概率密度
函数湍流燃烧模型(LES-TPDF)开发软件AECSC-IBM,用网格标记映射燃烧室真实几何结构。通过模拟双旋流燃
烧室算例和Sandia射流火焰算例检验湍流流动和燃烧的模拟精度。在双旋流燃烧室模拟中,旋流器出口时均轴向、
径向、%、%%。在射流火焰的模拟中,Flame-E和Flame-F的温度、燃料
%、%%、%。进一步将AECSC-IBM软件应用于某真实结构单
头部燃烧室算例,%。算例检验表明AECSC-IBM软件能快速
精确映射几何模型,大幅减少复杂几何高质量网格生成工作量,高效准确地模拟航空发动机燃烧室内的两相湍流燃
烧现象,模拟结果可为燃烧室精细化研发提供燃烧场数据参考,具有工程实用价值。
关键词:AECSC-IBM软件;大涡模拟(LES);输运概率密度函数方程燃烧模型(TPDF);浸没边界方法(IBM);燃
烧室数值模拟
中图分类号::A
DevelopmentandInspectionofAero-EngineCombustorSimulationSoftware
AECSC-IBM
WANGYudong1,WANGFang1,2,3*,ZHOUJiawei1,JINJie1,2,3
(,SchoolofEnergyandPowerEngineering,Bei-
hangUniversity,Beijing100191,China;
,Chengdu611930,
China;
,Nanchang330096,China)
Abstract:TheAECSC-IBMsoftwarewasdevelopedbasedontheImmersionBoundaryMethod(IBM)
andtheLarge-EddySimulation-TransportedProbabilityDensityFunctioncombustionmodel(LES-TPDF).
ofturbulentflowandcombustionwasverifiedbyasimulationexampleofatwin-swirlcombustorandSandia
,theaverageerrorsofaxial,radialandtangential
%,%,%,
oftemperatureandfuelconcentrationforflame-F,Flame-%%,%%,
,AECSC-IBMsoftwarewasappliedtoasingleheadcombustorofarealstructure,
%comparedwiththeexperimental
-IBMsoftwarecanmapgeometricmodelsquicklyandaccurately,
greatlyreducetheworkloadofcomplexgeometryhigh-qualitymeshgeneration,andsimulatethetwo-phase
turbulentcombustionphenomenonintheaero-
收稿日期:2022-04-15
基金项目:国家自然科学基金(91741125);国家科技重大专项(2017-I-0004-0005)
作者简介:王煜栋(1998—),男,硕士生,主要从事两相湍流燃烧理论及其应用研究。E-mail:******@
通信作者:王方(1972—),女,副教授、硕士生导师,博士,主要从事两相湍流燃烧理论及其应用研究。E-mail:******@:.
2航空动力学报第XX卷
simulationresultscanprovideareferenceforcombustionfielddataofcombustionchamberrefinementre-
searchanddevelopment,thereforeithaspracticalengineeringvalue.
Keywords:AECSC-IBMSoftware;Large-EddySimulation(LES);TransportedProbabilityDensity
Functioncombustionmodel(TPDF);ImmersedBoundaryMethod(IBM);CombustorNumericalSimulation
燃烧室是航空发动机动力主要来源,其性能TPDF湍流燃烧模型算法基础[15-17]上结合IBM研
直接影响发动机整机性能、动力输出及污染排放发的适用于复杂结构燃烧室内高保真模拟的两相
[1]。近年来航空发动机燃烧室设计由考虑宏观特湍流燃烧数值模拟软件。本文采用AECSC-IBM
性的常规研制向精细化研发转变,对高保真数值软件模拟Sandia射流火焰[18]、双旋流燃烧室
模拟提出需求。GTMC(GasTurbineModelCombustor)[19]中的湍
真实航空发动机燃烧室为结构复杂的多连通流燃烧以验证其精度并探究该软件在燃烧室两相
域,存在大量细节结构,对高质量网格划分造成湍流燃烧模拟工程应用中的可行性。
困难[2]。基础研究中常采用的贴体结构网格的拓
1计算模型与方法
扑结构限制了其几何适应能力,无法应用于复杂
-TPDF湍流燃烧模型
结构燃烧室模拟[3]。商业软件如ANSYSFLUENT,
Star-CCM+等常采用非结构网格模拟燃烧室[4-7],[20]
JaberiFA等将等扩散系数假设应用于
而采用非结构网格求解时存在寻址时间长、收敛LES中,Favre滤波后的随机场输运方程可表示
难度大、梯度项计算复杂,网格总数多(四面体为:
𝑁𝑆
网格)的缺点[8],并行化也较复杂,难以利用超∂𝑃̃sgs(𝝍)∂𝑃̃sgs(𝝍)∂
𝜌̄+𝜌̄̃+∑[𝜌̄̇𝛼(𝝍)𝑃̃sgs(𝝍)]
算资源对燃烧室进行大规模高效并行高保真湍流∂∂𝑥∂𝛼
𝛼=1
燃烧模拟。采用浸没边界方法(IBM)[9]能在保留∂
=−[𝜌(𝝍)𝐹(𝝍)−𝜌̄̃𝑃̃sgs]
∂𝑥
结构网格拓扑的前提下大幅降低复杂结构燃烧室𝑁
𝑆
内网格划分工作量,适合应用于航空发动机燃烧∂𝜇∂𝜙𝛼
−∑(𝐹(𝝍))(1)
室的湍流燃烧模拟中[2]。IBM空间精度常较低[10-∂𝛼𝜎∂𝑥∂𝑥
𝛼=1
12],边界附近需要高密度的网格,这与LES-其中为时间;𝜌̄表示时均密度;𝜇表示动力黏
度;̃为Favre滤波后𝑥方向速度分量;𝑁𝑆为流
TPDF湍流燃烧模型求解燃烧流场时的高网格密
场中总组分数;̇𝛼为组分𝛼的生成率;𝝍=
度需求一致。近年来超算算力提升,在燃烧室高[1,2,…,𝑁]标量值集合形成的样本空间,它
𝑠
保真模拟中基于大规模网格应用IBM结合LES-与流场中标量集合𝝓=[𝜙1,…,𝜙𝑁𝑠]存在关系
∞
TPDF成为可能。∫−∞(𝝍)𝛿(𝝍−𝝓)𝝍=(𝝓),其中𝛿(𝝍−𝝓)=
∏𝑁𝑠()̃()
大涡模拟(LES)直接求解各向异性的大尺𝛼=1𝛿𝛼−𝜙𝛼;𝑃sgs𝝍为滤波后的亚网格概
度涡,模化各项同性强的小尺度涡,能较精确地率密度函数,下标sgs表示亚网格项;
()𝑁s()
𝐹𝝍;𝒙,=∏𝛼=1𝛿[𝛼−𝜙𝛼𝒙,]为反应流中全
求解湍流流场,是目前分析航空发动机内部气动
部标量的联合PDF(概率密度函数);
热力特征的先进工具之一[13]。LES结合输运概率
∑𝑁𝑆∂𝜇∂𝜙α()
𝛼=1∂𝜓(𝜎∂𝑥𝜕𝑥𝐹𝝍;𝒙,)表示单点PDF条件
密度函数方程(TPDF)燃烧模型能基于详细机𝛼𝑖𝑖
扩散项,可分解为扩散项和单点小尺度混合项。
理精确求解燃烧过程中各物质组分质量分数,无
对小尺度扩散项进行IEM(Interactionby
模化求解反应率[14],适合模拟燃烧室中三维两相
ExchangewiththeMeanmodel)封闭,得到输运
非定常湍流燃烧,求解燃烧流场中瞬态与时均物概率密度函数方程,再对其滤波,有:
理量三维分布,为燃烧室设计提供数据参考。
AECSC-IBM(AeroEngineCombustorSimu-
lationCodebasedonImmersedBoundaryMethod)
是北京航空航天大学(北航)能源与动力工程学
院航空发动机数值仿真中心(仿真中心)在LES-:.
第XX期王煜栋等:AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验3
𝜁𝜁程组时确定边值条件的有效方法。主要思想为在
𝛼′𝛼
𝜌̅𝜁𝛼=−𝜌̅̃+[Γ]
𝑥𝑥𝑥动量方程中添加彻体力𝒇(𝒙,),如(7)所示。
𝜌̅𝜌𝜌𝑝𝜎
−(𝜁𝛼−𝜙̃𝛼)+=−++(𝒙,)(7)
2𝜏sgs𝑥𝑥𝑥
′在本文燃烧室模拟中,认为壁面刚性且恒定
2Γ𝜁𝛼
+𝜌̅̇(𝜻)+𝜌̅√𝑊(2)静止,不存在壁面大弹性系数与流体小粘性系数
𝜌̅𝑥差别引起的IBM数值刚性问题[22,23],可通过处
其中𝜙̃为密度加权滤波后流场中的某标量;Γ′=
𝛼理壁面附近离散方程系数阵隐式实现Sharp-
𝜇𝜇sgsInterface形式的无滑移和Neumann边界条件。
(+);𝜁𝛼表示随机变量集合𝜻(𝒙,)中的某
𝜎𝜎sgs滤波且离散后的通用变量𝜙̃控制方程可表示
随机变量;d𝑊表示第个维纳过程的𝑖方向分
为:
1𝜇+𝜇sgs
量;𝜏=𝐶𝐷𝜌̅Δ2为亚网格混合时间尺度,𝐶𝐷𝜙̃=𝜙̃+𝜙̃+𝜙̃+𝜙̃+𝜙̃
sgsPPNNSSWWEELL
为混合常数,Δ为网格尺度。+𝜙̃RR+𝑆P(8)
;下标N、S、W、
E、L、R表示与当前网格相邻的其他网格点。
以流体单元N方向与固壁网格相邻为例,将
应用IBM时对流体计算域与固体区域采用相
其对角项系数P、源项𝑆P和N方向系数N依次
同的离散方程组求解,网格标记将燃烧室几何离
设为:
散并映射到控制方程的边界条件中,是IBM求解
的基础。本文采用光线追踪中常用的Möller-P,动量方程
P={(9)
Trumbore算法[21]扫描燃烧室几何并生成网格标记,P−N,标量方程
将该算法中求交所用射线替换为无限长直线。其𝑆P+𝐹wall,动量方程
𝑆P={(10)
本质为求解模型中三角面[0,,1,,2,]与无限𝑆,标量方程
P
长扫描直线=+𝒕𝐃的交点。下标中的数字表,动量方程
N
示三角面中的某一个点,下标中的表示组成几N={(11)
何模型的三角面中的第个。三角面上任一点可0,标量方程
表示为(1−−)++,其其中𝐹wall为靠近壁面的网格受到的剪切力,与该
120,11,22,
中,为任意实数。求交点时需求解方程:网格点到壁面的距离有关,可由壁面附近速度的
12
对数分布规律得到。
[−𝐃(1,−0,)(2,−0,)][1]基于SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPres-
2sureLinkedEquations)算法求解离散方程组。求
=−0,(3)解压力修正方程(连续方程)时,令壁面质量通
方程(3)可由Cramer法则和向量混合积求量恒为零。
解,最终形式的解为:喷雾燃烧时,调用网格标记生成所用的求交
(2,−0,)⋅(𝐒×(1,−0,))点算法求解粒子与固壁碰撞情况和反弹轨迹。
=(4)
(1,−0,)⋅(𝐃×(2,−0,))2算例模拟结果与讨论
(−0,)⋅(𝐃×(2,−0,))
1=(5)
(1,−0,)⋅(𝐃×(2,−0,))
(−)⋅(𝐒×(−))(GTMC)算例
2,0,1,0,
2=(6)
(1,−0,)⋅(𝐃×(2,−0,))
若满足1≥0,2≥0,1+2≥0三个条旋流器能够形成中心回流区,卷吸高温燃
件,则扫描线与当前三角面存在交点,且交点坐气,使燃烧反应保持稳定,并为燃烧室头部提供
标为=+𝐃。遍历几何模型中全部三角面,适量空气,其结构设计对燃烧室气动热力性能有
重要影响。GTMC是Meier等[19]设计的具有双级
可求得扫描线与模型的全部交点(一定为偶数
个)。判断扫描线上网格点相对于交点的位置,旋流器的燃烧室,如图1所示。
若其前方(或后方)存在奇数个交点,则该网格
点位于模型内部,否则相反。更换扫描线重复此
过程可求得全部网格点流固标记。
(IBM)
IBM是计算流体力学中求解弹性边界、运动
边界、复杂几何构型边界等问题对应的偏微分方:.
4航空动力学报第XX卷
图1GTMC几何结构示意图[19]图6、图7和图8分别为GTMC燃烧室旋流
、径向速度
GTMC[19]
分布和切向速度分布对比图,将AECSC-IBM的
采用如图2所示的349万网格模拟GTMC燃求解得到的速度分布(红色曲线)和FLUENT
烧室的流场,以检验AECSC-IBM软件对双旋流采用贴体结构网格的模拟结果[24](蓝色曲线)以
燃烧室内湍流流动求解的准确性。温度295K,及实验数据(黑色圆点)对比,两软件模拟结果均
。在最靠近旋流器出口位置(高度
侧两个进口以1:。图3和为2mm)存在两对轴向速度峰值,分别由内旋流
图4分别为冷态流动工况模拟瞬态结果中的X轴器和外旋流器形成。由实验数据可知,靠近轴线
负方向三维速度矢量图流线图和流线图。的一对峰值相对更高。FLUENT模拟结果中远离
轴线的峰值相对更强,而AECSC-IBM软件模拟
的两个峰值与实验相符,表明AECSC-IBM能更
准确地模拟双级旋流器出口附近的流场。
图2GTMC算例网格与IBM标记
图3GTMC算例中央剖面瞬态速度矢量图
theGTMC(a)旋流器出口高度2mm轴向速度分布
图4GTMC算例三维瞬态流线图
流线图中直观反映出了燃烧室内瞬态流动情
况,在旋流器后方形成两个回流区,一个为涡破
碎形成的内回流区(InnerRecirculationZone,IRZ),
另一个为靠近燃烧室壁面的边角处形成的外回流(b)旋流器出口高度5mm轴向速度分布
区(OuterRecirculationZone,ORZ)。
图5中对比了由AECSC-IBM软件模拟得到
的时均轴向速度云图与商业软件ANSYS
FLUENT的模拟结果[24]。二者模拟得到的回流区
大小和形状相近。
(c)旋流器出口高度10mm轴向速度分布
图6旋流器出口时均轴向速度分布
图5AECSC-IBM模拟结果(左)与商业软件FLUENToftheswirler
模拟结果[24](右)中央界面时均轴向速度图
-IBMsimulationresults(LHS)andcommer-
cialsoftwareFLUENTsimulationresults[24](RHS)time-av-
eragedaxialvelocitydiagramatthecenterinterface:.
第XX期王煜栋等:AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验5
(a)旋流器出口高度2mm切向速度分布(b)旋流器出口高度5mm径向速度分布
(b)旋流器出口高度5mm切向速度分布(c)旋流器出口高度10mm径向速度分布
图8旋流器出口时均径向速度分布
oftheswirler
表1中统计了距离旋流器出口三种高度的截
面上时均速度分布的平均相对误差,考虑到部分
统计点速度接近0,按照式(12)计算平均相对
误差(以径向速度𝑈为例),其中𝑈表示𝑈的平
均相对误差,𝑈和𝑈分别表示第𝑖个测点位
CALEXP
置的模拟值和实验数据,选取实验数据中最大的
绝对值|𝑈EXP|max作为参考值。由表得AECSC-
(c)旋流器出口高度10mm切向速度分布IBM模拟结果的时均轴向、径向、切向速度平均
%、%、%,而FLUENT
%、
%、%。由于FLUENT求解时采用贴体
结构网格,边界附近精度更高,因此模拟得到的
流场误差略低于AECSC-IBM。而AECSC-IBM
软件优势在于能够大幅减少网格生成工作量,快
速生成高质量网格,该软件总体误差接近于采用
贴体网格的商业软件,表明其能够精确地求解
GTMC燃烧室内流动场。
|𝑈−𝑈|
ΣEXPCALEXP
=1|𝑈EXP|max
𝑈=(12)
EXP
表1GTMC时均速度平均相对误差
(a)旋流器出口高度2mm径向速度分布
Table1AveragerelativeerrorofGTMCtime-averaged
speed
高度AECSC-IBMFLUENT
速度方向
/mm模拟误差/%模拟误差/%
:.
6航空动力学报第XX卷
图11射流火焰湍流动能(TKE)云图
为验证AECSC-(TKE)diagramofjetflame
性,应用该软件基于图9所示的231万网格模拟
Sandia实验室的射流火焰实验[25]中的Flame-E及
Flame-F,两种算例雷诺数分别为33600和44800。
射流火焰算例中,
的内喷口喷射293K,1:3的甲烷-空气混合气,
(Flame-E)或
1860K(Flame-F)的高温空气。
图12射流火焰瞬态温度云图
图9射流火焰网格图
图10、图11、图12和图13中分别展示了
Flame-E和Flame-F纵截面的瞬态速度云图、时均
湍流动能(TurbulentKineticEnergy,TKE)云图、
瞬态温度云图以及瞬态甲烷质量分数云图。
Flame-E和Flame-F中央射流最高速度分别为
/s,二者均表现出较高的
湍流强度。
图13射流火焰瞬态甲烷质量分数云图
图14、图15在垂直于流向的多个截面上对
比了AECSC-IBM模拟得到的时均温度沿径向的
分布、甲烷质量分数沿径向的分布与实验数据,
其中左侧和右侧的曲线分别对应Flame-E和
Flame-F。可以发现模拟得到的曲线与实验数据
差别不大。用表示内喷口直径,;𝑧
表示横截面在流向上的高度;𝑟表示截面内某位
置距离截面中心的距离。考虑到甲烷在𝑧/较大
图10射流火焰瞬态速度云图的位置质量分数很低,因此取z/d≤15的五个截
,对比其甲烷质量分数分布。
:.
第XX期王煜栋等:AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验7
(a)𝑧/=1处时均温度分布(b)𝑧/=2处时均甲烷质量分数分布
(c)𝑧/=3处时均甲烷质量分数分布
(b)𝑧/=2处时均温度分布
(d)𝑧/=
(c)𝑧/=3处时均温度分布
(e)𝑧/=15处时均甲烷质量分数分布
图15射流火焰时均甲烷质量分数沿径向的分布
(d)𝑧/=-averagedmethaneconcentration
ofjetflamealongtheradialdirection
表2和表3中分别列出了时均径向温度分布
和时均径向甲烷质量分数分布的平均相对误差,
考虑到甲烷质量分数在很多位置为零,表3中甲
烷质量分数均方根分布的平均相对误差由式(13)
计算得到。Flame-E的时均温度分布的平均相对
(e)𝑧/=%%之间,%;
%至
%之间,%。Flame-F时均温度分
%%之间,均值
%;甲烷质量分数分布的平均相对误差在
%%之间,%。由此可知
AECSC-IBM能准确地模拟射流火焰算例湍流燃
(f)𝑧/=75处时均温度分布
图14射流火焰时均温度沿径向的分布烧的温度场和物质质量分数场。
-averagetemperaturedistrib