燃气轮机真实环形燃烧室大涡模拟

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本文针对真实燃气轮机环形燃烧室的燃烧雾化等过程,使用大涡数值模拟的方法进行非定常计算。求解流体的笛卡尔坐标系三维求解器对于可压缩的Navier-Stokes输运方程进行求解来捕获热声振荡和燃烧诱导的不稳定性。对于真实燃烧室复杂的几何结构采用非结构化的网格。在时间和空间上二阶精度的数值模拟策略被用来加速计算过程和强化数值稳定性。通过高性能的服务器,使用MPI并行运算技术进行并行计算。单方程动网格模型求解亚网格能量输运方程,同时对于双向耦合的两相流喷雾流动提供了一个亚网格速度尺度,在求解的大尺度涡旋模拟亚网格尺度效应。通过扩展的涡扩散模型来模拟亚网格燃烧的过程。欧拉一拉格朗日的方法被用来模拟两项喷雾流动,喷雾粒子通过一个双向耦合的拉格朗日方法被追踪,喷雾二次破碎和蒸发过程也包含其中。提出的方法被应用到模拟真实多燃烧器环形燃气轮机燃烧室中模拟燃烧喷雾的流动过程。计算域的进口流动边界从上游压气机出口到出口边界下游的高压涡轮进口。出口边界条件采用波动对流输运出口边界。计算域是由包括了一个扩压器,一个双旋流旋流器,两排初级和二次空气进气孔和空气冷却孔组成的独立部分。本研究的目的是证明所提出的计算方法可以应用于研究真实燃烧室的复杂流动过程和燃烧的动态特性。研究预测了速度,温度,压力,燃料和氧气浓度等的瞬态和时均场。通过计算的涡旋和频谱分析对漩涡结构进行了研究。预测的结果很好的再现了流动,喷雾和燃烧的动态过程,同时捕捉到所研究燃烧室的主要特征,比如旋进涡核PVC和燃烧诱导的火焰不稳定性。当前的研究显示了燃烧室内部压力震荡的两个主要频率。一个主要频率是关于通过旋流器旋进涡核产生的并随着流动和下游来流湍流冲击逐渐消失了。另外一个主要频率是火焰燃烧诱导的不稳定性产生的,这种燃烧震荡的不稳定性分布于燃烧室内部的每个区域。模拟过程能量谱耗散符合湍流惯性副区-5/3定律。最后,预测的出口温度和实验数据进行了对比,吻合的比较好,验证了模拟的准确性。
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