[发明专利]基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法

说明书

本发明公开了一种驻涡燃烧室气体驻留时间特性评估方法，涉及航空涡轮发动机燃烧室设计领域和计算空气动力学领域，主要基于计算流体力学中欧拉场的思路建立特定气体对应质量分数和凹腔内累计驻留时间的输运方程。通过将建立的输运方程加入燃烧室流动仿真计算程序，计算特定气体对应质量分数和凹腔内累计驻留时间的三维空间分布。通过选定合适的统计截面，基于流场数据积分，计算所关注的气流在凹腔内的平均驻留时间。

技术领域

本发明涉及航空涡轮发动机燃烧室设计领域和计算空气动力学领域，更具体地说，它涉及基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法及一种针对凹腔驻涡燃烧室内气体在驻涡回流区驻留时间的评估方法。

背景技术

驻涡燃烧室(Trapped Vortex Combustor，TVC)是一种利用燃烧室内驻涡腔实现火焰稳定的创新型燃烧室，具有在宽广的工作范围内性能稳定、地面/空中点火能量强、燃烧效率高、长度短、结构简单等特点。驻涡燃烧室主要由两部分组成：一个用于稳定火焰的驻涡值班级燃烧区和一个提供动力的主燃烧区。驻涡燃烧组织技术采用径向分级分区的设计思路：其中，双侧凹腔作为其主要的结构特征，承担驻涡区和值班级的作用，实现稳定火焰和小状态的燃烧组织；主流为主燃区和主燃级，和值班级一同承担大状态下的燃烧组织，由此实现燃烧室的分级分区燃烧组织方法。在驻涡区，空气进入凹腔并形成旋涡结构，旋涡结构由于远离主流，因此可以在更大的速度下实现火焰稳定；在主燃区，空气和燃油通过主流通道进入火焰筒，并在联焰板和钝体的辅助下和值班级的高温燃气快速掺混并燃烧。

驻涡燃烧室内凹腔值班级承担着小状态燃烧组织与大状态下火焰稳定的作用。其主要工作原理是通过在凹腔内形成驻定的回流区流场结构，增大可燃气体与已燃产物在值班级燃烧区内的驻留时间，从而提高值班火焰的稳定性和燃烧效率。因此，气体在凹腔回流区内驻留时间对驻涡燃烧室性能具有重要影响。因此，有必要建立合理可靠的凹腔内气体驻留时间定量评估方法，完善驻涡燃烧室设计方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，建立气体在特定空间内内驻留时间的欧拉输运方程，应用于驻涡燃烧室流动仿真，获得特定气体在驻涡燃烧室凹腔内驻留时间的空间分布，从而建立一种对驻涡燃烧室凹腔内气体驻留时间特性的定量评估方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

基于欧拉场输运方程的驻涡燃烧室气体驻留时间评估方法，包括以下步骤：

S1：建立用于描述特定气体及其空间驻留时间的欧拉输运方程；

S2：根据建立的欧拉输运方程设置限定条件；

S3：对燃烧室内流场结构进行模拟计算，获得燃烧室稳态流场结构，选取燃烧室下游一预定截面进行统计，得到特定气体在特定空间内的平均驻留时间。

作为一种优选方案，S1过程中，欧拉输运方程具体如下：

其中，ρ是流场中当地气体的密度，U是速度矢量，D是组分扩散系数，t是流场仿真对应的物理时间，z表征所需追踪的特定气体在当地气体所占的质量分数，τ_res,z为特定气体z在特定空间范围内的驻留时间累积，与物理时间t具有相同的单位量纲，H为空间阶跃函数，用于判断当前位置是否位于特定空间内；

得到其数学表述为

对以上欧拉输运方程的离散与数值求解，获得流场内所关注气体质量分数z和其对应的特定空间内驻留时间累积量τ_res,z的空间分布。

作为一种优选方案，S2过程中，限定条件具体包括加入特定气体对应质量分数和特定空间内累计驻留时间的初值条件和边界条件。