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《哈尔滨工程大学》 2002年
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燃气轮机燃烧室三维湍流的数值仿真

孟岚  
【摘要】: 燃气轮机是广泛应用于航空、船舶、电力、石油等诸多工业领域的高科技动力机械,燃烧室是燃气轮机中一个不可缺少的重要部件。燃烧室的工作过程远比燃气轮机其它部件复杂,它涉及气体流动、传热、传质以及化学反应等一系列复杂过程。长期以来,燃气轮机燃烧室的设计方法主要是依靠试验及由大量实验数据归纳出的经验公式。 随着燃烧理论和计算流体力学的迅速发展,加上计算机的广泛应用,燃烧理论与数值方法相结合是必然的发展趋势。主要依靠计算而不需要大量试验调试来解决燃烧室性能的预估和工程设计,有利于提高燃气轮机工作的可靠性和经济性以及满足环保要求,这对于促进燃气轮机的发展具有重要的实际意义。 本文针对含有强旋流的燃气轮机燃烧室三维湍流反应流的数值模拟问题进行了研究。建立了含强旋流的燃气轮机燃烧室稳态三维湍流反应流的数学物理模型。a.采用了修正的κ-ε双方程湍流模型,来对燃烧室中的强旋流湍流流动进行数值模拟;b.采用了多流体模型来对燃烧室中的预混湍流燃烧进行数值模拟,根据燃料/空气混合比把燃烧室内的混合气体分成11种流体;c.采用了适用于三维问题的六通量辐射模型对燃烧室内的辐射换热进行数值模拟;d.对燃烧室扩压段的计算区域离散采用了贴体坐标系;e.采用了IPSA算法来求解离散方程。 在建立数学物理模型的基础上,编制了燃气轮机燃烧室的通用数值模拟程序。并选择了实验测量结果较准确可靠的含强旋流的工业燃气轮机燃烧室进行了三维冷态数值模拟研究,针对大、小突台两种几何形状的含旋流器燃烧室进行了数值模拟,计算结果与Clarke等人的实验结果符合很好;选择了具有体积小、速度大、旋流度大、温度高等特点的某种航空发动机火焰管模型结构内的三维湍流反应流进行了数值模拟,得到了燃烧室内部速度、压力、湍流平均脉动动能κ、湍流动能耗散率ε、湍流粘性系数、温度、密度、含氧量、焓值、燃料浓度、燃料/空气混合比、燃烧产物浓度、空间三 哈尔滨工程大学博士学位论文 一 个方向的辐射热通量以及各种流体的浓度等变量的分布情况,并与传统的旋 涡破碎模型的数值结果进行比较分析,本文所建立的数学物理模型更符合实 际物理情况。 本文针对某种航空发动机火焰管模型结构,采用数值模拟方法对“掺混 空气喷射角度对燃烧室性能的影响”这一问题进行了探讨。
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