航空航天发动机中高速湍流燃烧过程的LES-PDF方法

The high-speed air stream in aerospace engines makes flow and combustion processes coupled intensively, which poses significant challenges on numerical simulation. Most of current numerical methods for turbulent combustion cannot precisely deal with high-speed reactive flows. In this project, based on the incompressible PDF method, a transported PDF method for pricisely simulating high-speed combustion is going to be deveolped and coupled with an available compressible LES method, which leads to the establishment of a LES-PDF approach and software for high-speed combustion. In this study, we will first handle sub-grid models of compressible and other terms, set up the correponding Langevin equations for Langrangian particles solution, deal with the consistence between LES and PDF, and develop LES-Scalar PDF for supersonic combustion. Then Scalar-Pressure PDF is going to be developed. We will study parallel optimization of these methods, finally develop massively and efficiently parallel LES-PDF software for high-speed combustion. This method will be a precise predictive model which contributes to the development of aeroengine and scaramjet engine.

航空航天发动机中的高速湍流燃烧过程十分复杂，使得精确的数值模拟面临巨大挑战，当前的湍流燃烧数值模拟方法尚不能准确地模拟。本项目拟在不可压输运型PDF方法基础上，建立精确模拟高速湍流燃烧过程的输运型PDF方法，并与已有的可压流大涡模拟方法耦合，发展能准确模拟高速湍流燃烧的LES-PDF方法与计算软件。研究中拟首先解决标量PDF方法中亚格子可压缩效应的建模，建立相应的Langevin形式的Lagrangian粒子随机微分方程，探索高精度的LES和PDF耦合一致性方法，发展适用于高速湍流燃烧的LES-标量PDF方法；在此基础上发展LES-标量-压力PDF方法。开展LES-PDF的大规模并行优化研究，发展面向高速湍流燃烧过程的LES-PDF方法与计算软件，从而为我国航空发动机、冲压发动机技术的发展提供精确的可预测模型。

本项目从解决先进发动机核心问题的重大战略需求出发，针对航空航天发动机中高速湍流燃烧过程的准确数值模拟极其困难这一共性问题，旨在发展能够精确模拟高速湍流燃烧过程的LES-PDF方法。系统梳理了PDF方法应用于高速湍流燃烧时面临的关键难题，在可压缩标量PDF高速源项建模，标量-压力PDF方法，高速流中LES和PDF耦合一致求解以及曲线坐标下的粒子大规模高效并行等方面方面开展了研究。本项目突破了传统低速流PDF方法体系，构建了面向高速反应流的系统的拉格朗日粒子PDF方法及其求解框架，开发了国内首套耦合欧拉网格/拉格朗日粒子的LES-PDF程序。取得的重要成果包括：（1）建立了适用于含间断流场的高速源项条件滤波模型，进而发展了保持能量一致性的LES-PDF方法，提出了改善一致性的若干基本原则，有效提升了高速流中LED-PDF耦合计算的数值稳定性和计算精度。（2）基于双曲系统守恒律，建立了一致守恒型标量PDF方法，显著改善了PDF方法在高速流特别是间断及大梯度流场附近的数值解质量。（3）发展了多组分理想气体标量-压力PDF方法，明晰了其在间断流场中压力的数值振荡现象及其原因。（4）建立了基于多组分理想气体假设的标量-脉动压力PDF方法，有效改善了压力场的数值振荡。（5）面向复杂构型，提出了基于一般曲线坐标系的LES-PDF方法，发展了一种适用于大规模并行计算的粒子追踪方法，并开展了优化研究。通过本项目的研究，突破了PDF方法应用于高速反应流的三个核心难题，建立了面向高速流的系统LES-PDF方法理论及其求解体系，发展了可以准确模拟航空航天发动机内高速湍流燃烧过程的LES-PDF方法及其大规模并行计算软件。本项目发展的LES-PDF方法，可以为重大研究计划核心科学问题受限空间内复杂湍流和燃烧的相互作用和极端条件下燃烧及燃烧稳定性等的解决提供高精度数值模拟手段，助力解决两机专项以及超燃冲压发动机中熄火再点火、不稳定燃烧、碳烟及污染物生成等一系列复杂实际问题。