燃气轮机模型燃烧室的大涡模拟
徐宝鹏1，曾佑杰1，马宏宇2，赵凯岚2，金戈2
（1.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）
摘要：燃烧室内的燃油雾化、蒸发以及和空气进行混合过程对燃烧过程有重要影响。
提出1种基于大涡模拟的数学模型来模拟燃烧室内燃料喷射、蒸发和混合过程。
被空间滤波掉的亚网格尺度涡对大尺度涡的影响由求单方程SGS 湍流模型进行模拟。
采用拉格朗日法和蒙特卡洛技术对流场中的喷雾粒子进行采样跟踪，采样喷雾粒子在流场中作为点源项与气相进行质量、动量和能量的双向耦合。
提出1个基于SGS 湍流动能的双向耦合模型来模拟SGS 脉动速度对喷雾粒子运动的影响以及喷雾相对SGS 湍流动能的影响。
通过对1个同轴模型燃烧室中的喷雾蒸发及混合过程的大涡模拟，将预测结果和试验值进行了比较，预测值和试验值吻合良好，验证了模型的可靠性。
关键词：燃烧室；燃气轮机；大涡模拟；双向耦合；燃油雾化
中图分类号：V211.3文献标识码：A doi ：10.13477/ki.aeroengine.2014.03.003
Large Eddy Simulation of a Gas Turbine Model Combustor
XU Bao-peng 1,ZENG You-jie 1,MA Hong-yu 2,ZHAO Kai-lan 2,JIN Ge 2
(1.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology,Liaoning Dalian 116024,China;2.AVIC Shenyang
Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China )
Abstract:Fuel atomization,evaporation and mixing with air in gas turbine combustors are vital to the subsequent combustion process.Numerical formulation based on large eddy simulation is proposed to model fuel injection,evaporation and mixing in a gas turbine combustor.The proposed model adopts a one-equation subgrid scale turbulent model to handle the effect of the filtered subgrid scale eddies on the solved large scale eddies.Spray droplets are tracked using both Lagrangian method and Mento Carlo technique,and the sampled spray particles are regarded as point sources to conduct two-way couplings of mass,momentum and energy.The two-way coupling model
based on SGS turbulent kinetic energy is used to model the mutual influences between SGS fluctuating velocity and the movement of spray droplets.The proposed models are validated against a large simulation of a co-axial model combustor and the predictions are compared to the experimental data.Good agreements are obtained,which demonstrate the reliability of the proposed models.Key words:combustor ;gas turbine;large eddy simulation;two-way coupling;atomization 航空发动机Aeroengine 第40卷第3期
Vol.40No.3
Jun.2014
收稿日期：2013-08-14基金项目：燃气轮机重大项目联合培育基金（2011LH006）资助
作者简介：徐宝鹏（1969）,男，博士，教授，主要研究方向为计算流体力学、两相流和燃烧学；E-mail:xbp624@ 。
引用格式：0引言
试验研究表明，燃油在燃气轮机燃烧室内的雾
化、蒸发及与空气进行混合的过程对直喷或预混燃烧
室中的燃烧过程起至关重要的作用[1-3]。
Fric [3]通过试
验研究发现，燃料混合在空间上的不均匀性和时间上
的脉动性对氮氧化物的排放量有显著影响；此外,燃
烧室内的流动状态以及燃油喷雾粒子的大小和速度
分布对燃烧过程同样有重要影响。
光学测试和数值模拟是目前研究燃烧室内燃油混合及燃烧过程的2种主要方法。
光学测试已被成功应用于燃油喷射及混合过程的研究中[4-6]，但使用数值模拟方法对燃烧前喷雾的分布情况进行理论研究的文献较少，且现有的数值模拟工作大都采用基于雷诺时间平均的RANS 方法。
以往的数值研究表明，RANS 方法无法准确预测燃烧室内的回流流动，且其稳态特性也不能准确预测燃料的混合及燃烧过程[7]。
大涡模。