超声速气相湍流燃烧的高精度数值模拟技术
技术描述
超声速点火与稳焰的精确预测是数值模拟的难点，也是燃烧室数智化设计的关键技术。输运型概率密度函数（PDF）模型化学源项自然封闭，精确模拟任意燃烧模式和详细反应动力学，是研究有限速率和点熄火问题目前最合适、最精确的方法。但PDF模型的实际应用存在两大挑战：缺乏通用的亚网格混合模型和高维特征导致的巨大计算量，如附图1。包含几十、上百种组分的碳氢燃料详细机理，非线性偏微分方程将达到成千上万个，计算量极大。 本技术基于开放源代码平台OpenFOAM，发展数理模型、开发数值求解器，形成了原创性的高精度数值模拟方法。自主发展详细化学反应机理适用的可压缩MMC-LES方法，如附图2。显著提高超声速流动、燃烧问题的模拟精度，有效拓宽原本低马赫数MMC模型的适用范围。MMC是一类PDF模型，它将偏微分输运方程改写成稀疏Lagrangian粒子上的随机微分方程并通过Monte Carlo方法求解，保持精确性的同时大大降低计算量。 进一步将超声速MMC燃烧模型与课题组已有的密度基求解器耦合并植入其他支撑性数理模型，形成完整的超声速燃烧大涡模拟技术，如附图3。该技术已经成功应用于氢燃料超声速模型燃烧室和推举射流火焰，如附图4。其中稀疏Lagrangian粒子数分别低至相应Eulerian网格数的1/10和1/16，但只占总计算量的20.7%和9.6%。
技术优势
本技术的主要优势包括：①相比于层流化学（即不使用任何燃烧模型），MMC模型对组分和温度的预测精度局部可提高20%以上；②MMC-LES的计算量相比于传统稠密PDF-LES方法降低2–3个数量级，精确求解化学反应的计算量占比不超过10%；③以乙烯75组分、529反应步的详细机理为例，MMC-LES相比于求解完备N-S方程的常规LES加速比达4倍以上。因此本技术可负担碳氢燃料详细机理的实际应用，精确捕捉复杂的激波-火焰-湍流相互作用及高度非稳态的点火与稳焰过程。同时解决了超声速点火与火焰稳定数值模拟研究的两个重难点问题，支撑超声速燃烧机理及燃烧室设计研究。 超声速燃烧室结构与空气来流、燃料射流、复杂波系之间存在强相互作用，其精确数值模拟极具挑战。当前研究大多针对化学反应机理相对简单的氢燃料、基于总包反应或flamelet简化模型的碳氢燃料，在发动机总体性能预测上取得了较好效果。但精确捕捉强瞬态的超声速点火过程和激波-火焰-湍流相互作用，仍相当局限。目前仅本课题组、课题组负责人原属的新加坡国立大学及合作方澳大利亚悉尼大学掌握本技术。上述三方合作在国际上首次实现了超声速MMC-LES方法的发展、校验及应用，且在该细分领域发表了目前唯二的国际顶级期刊论文。本技术具有较强的竞争优势。
效果指标
高超声速巡航导弹具有响应速度快、突防能力强、攻击目标多样等优势，对加固和深地高价值、硬目标的毁伤效果尤其好，是现代高科技战争的杀手锏武器，也是我军突破强敌先进防空系统、实施战略威慑的重要装备。高精度的数值模拟方法是支撑国家空天一体化战略，如高超声速导弹自主研发的重要手段，可大幅提高重要装备的研制效率、降低试验成本。因此，本技术的主要目标市场是高超声速推进领域，包括吸气式冲压发动机及以之为基础的各类组合动力中流动燃烧问题模拟。也包括一些模型化的超声速燃烧问题，如超声速同轴射流、横向剪切射流等，具有一定的市场规模。 以下以本技术在课题组内的使用情况，结合具体的示范应用来描述。第一个示例针对支板构型氢燃料模型超声速燃烧室，这是本技术在超燃领域的国际首次应用，如附图5。首先以非反应流和反应流的大量实验数据对本技术进行了广泛校验，验证了本技术的准确性。其次，分析了压力功和粘性加热效应对局部点火与燃烧性能的影响，验证了本技术的合理性。最后，对比了本技术的计算效率及化学求解部分的计算占比，验证了本技术的高效性。 第二个示例针对超声速氢气自点火同轴射流，具有鲜明的有限速率化学效应，如激波诱导自点火、激波-火焰相互作用、火焰推举等。同时该构型有丰富的实验数据，是校验超声速燃烧模型与数值算法目前应用最广的案例之一。同样验证了本技术的合理性、准确性和高效性，压力功对自点火诱导及火焰稳定有重要作用，而粘性加热效应仅在燃料/空气的射流剪切层内显著。未来将本技术应用于更为复杂的碳氢燃料，其计算精度和效率预计都将有更为显著的提升。 因此，本技术能够负担碳氢燃料详细机理的实际应用，精确捕捉激波-火焰-湍流相互作用、点火与稳焰过程。在高速特别是高超声速飞行器动力系统的设计阶段，即可快速实现点火与稳焰性能的精确预示。节省试验成本、加快研发进度，支撑我国各型战略、战术打击武器的装备化发展。