面向航发火焰稳定器熄火问题的高维不确定量化分析研究

In recent years, uncertainty quantification (UQ) methods become increasingly one of the hot researching directions in the field of mathematics. These advance UQ methods play a more and more important role in understanding the complex physical process and dealing with practical engineering problems. Blow-off phenomenon in the afterburner of aircraft engines is a sensitive turbulence-combustion coupling process. It is of great practical significance to study the internal relationship between the massive uncertainty factors in aircraft engines and blow-off phenomenon. This project begins with the high dimension UQ method. On the one hand, we deal with the hyperbolic preserving problem of spectrum coefficient equations in the extension of high accuracy gPC-Galerkin method to the reactive NS equation; On the other hand, we combines with the sparse representation technique to increase the computational efficiency in the high dimensional UQ problem. On the basis of the developed UQ method, the effect of uncertainty factors such as inlet velocities, temperature, equivalent ratio on the flameholder blow-off process is analyzed. Finally, based on the UQ results and unsteady flow mechanism, the quantified relation between the controlling parameters and extinction indicator is built. This project not only provides the advanced UQ method for aircraft engine design, but also gains in-depth knowledge of flameholder blow-off problem from the view of uncertainty quantification.

近些年不确定量化算法逐渐成为数学领域的热点研究方向，发展的先进算法在理解复杂物理过程以及解决实际工程问题中发挥越来越重要的作用。航空发动机加力燃烧室火焰稳定器熄火过程是一个典型的复杂湍流燃烧耦合过程，认知发动机中存在的大量不确定性因素与熄火现象的内在关系具有十分重要的现实意义。本项目从发展高维不确定量化分析方法入手，一方面解决高精度gPC-Galerkin算法在推广至燃烧NS方程时遇到的谱系数方程双曲性质保持问题，另一方面结合最新稀疏表示技术提高算法在处理高维问题的计算效率。随后基于发展的不确定量化分析方法研究来流速度、温度、当量比等不确定因素对火焰稳定器熄火过程的影响规律；最后基于不确定量化数据分析和非定常流动机理认知构建主控流动参数与熄火指标的定量化关系。本项目研究成果不仅能为航空发动机设计提供先进的不确定量化分析方法；同时也可从不确定量化的角度获得对火焰稳定器熄火问题更深入的认知。

近些年不确定量化算法逐渐成为数学领域的热点研究方向，发展的先进算法在理解复杂物理过程以及解决实际工程问题中发挥越来越重要的作用。航空发动机加力燃烧室火焰稳定器熄火过程是一个典型的复杂湍流燃烧耦合过程，认知发动机中存在的大量不确定性因素与熄火现象的内在关系具有十分重要的现实意义。面对上述工程需求，本项目聚焦航空发动机加力燃烧室钝体绕流相关不确定因素对熄火的影响规律，在以下三方面获得进展如下：在计算方法层面，发展了gPC-Galerkin算法和各项异性配置点作为在该类问题中应用的高维不确定性量化分析方法，还提出了基于机器学习的不确定量化方法；在流动机理层面，发现流动剪切特征和燃烧放热特征呈现竞争状态，流场剪切增强会提高流场中熄火概率进而引起全局熄火，燃烧放热能抑制流场剪切程度，故而当量比提高会增强燃烧稳定性；此外应用基于本项目成员发展出的LCS方法，揭示了熄火工况下上游大尺度结构进入并持续影响下游钝体后的回流区这一新现象，通过对比二维三维钝体绕流熄火现象，发现在三维情况下会出现更多的细小湍流涡旋结构为火焰提供稳定面；在不确定量化分析层面，基于机器学习不确定性量化方法研究了低维和高维两种情况，建立了具备较高可信度的代理模型以预测volvo构型的熄火概率。本项目研究成果不仅为后续发动机实际燃烧不确定性问题提供了工程可用的方法，同时针对简单火焰稳定器获得的不确定性量化机理和规律具有一定的工程指导价值。