超声速流动中近壁区湍流与燃烧相互作用的大涡模拟研究

Studies on the interaction between wall turbulence and combustion in supersonic flows by large eddy simulation (LES) are performed in this project. First, in order to improve the sub-grid model in state-of-art compressible LES, two main sub-researches are conducted. One is extending the flamelet/progress variable (FPV) model, which is originally for low-speed flows, to supersonic flows. The other one is designing new shock-confined filtering function and sub-grid stress model, the purpose of which is to eliminate the unphysical errors induced by present LES near the shock-wave. Secondly, based on the above improved compressible LES, studies on the influence of combustion heat-release to wall turbulence structure along with wall stress and heat flux in supersonic flows are executed. The way to reduce heat flux and wall stress closely associated with combustion heat-release effects in combustor is further explored. Meanwhile, combustion chemical reaction is introduced to shock wave/turbulent boundary layer interaction flows. The main point is to study the influence of chemical reaction to the mean flow characteristics, such as flow separation and heat flux increase, and some unsteady characteristics including the spectrums of fluctuating variables and the shock-wave large-scale low-frequency unsteadiness.

本项目拟开展超声速流动中近壁区湍流与燃烧相互作用的大涡模拟（LES）研究。一方面，针对现有可压缩LES技术中亚格子模型开展改进研究，对基于火焰面/进度变量模型的湍流燃烧亚格子开展可压缩修正，并构造考虑激波限制的滤波算子以及亚格子应力模型，以消除在包含复杂激波系流动的LES中应用时可能产生的非物理效应。另一方面，基于上述发展的可压缩LES技术，开展超声速流动中近壁可压缩边界层内燃烧放热效应对湍流结构、壁面摩阻和热流的影响机制，进而探索降低燃烧室内由于近壁燃烧放热引起的热流增量同时可减小壁面摩阻的途径。同时，在激波/湍流边界层干扰流场中引入燃烧化学反应，重点研究化学反应效应对激波/湍流边界层干扰中流动分离和壁面热流峰值等时均特性、脉动变量频谱特性和激波大尺度低频抖振等非定常特性的影响。

本研究发展了可压缩湍流燃烧流动的大涡模拟（LES）技术，之后基于LES技术并结合理论分析与雷诺平均模拟（RANS）对超声速流动中近壁区湍流燃烧相互作用的物理机制开展了研究。对于LES模拟技术，本研究主要取得以下成果：（1）提出了适用于超声速湍流燃烧流动的标量保正WENO格式，可有效解决LES模拟过程中组分质量分数出现非物理负值解的问题；（2）在原有LES数值模拟平台的基础上融合了两种入口湍流脉动边界条件生成方法，分别为基于湍流库的方法和“回收/调节”方法，解决了开展近壁边界层LES模拟的入口湍流数据生成的问题；（3）针对LES模拟中的湍流燃烧亚格子模型，通过对进度变量的化学反应源项进行修正，完成了源于低速不可压的火焰面/进度变量模型的可压缩延拓。. 基于以上发展的LES技术，本项目对超声速近壁区湍流燃烧相互作用机制开展了研究，在研究中综合利用了理论分析、RANS模拟以及LES模拟。研究发现：近壁边界层内的燃烧主要通过降低平均密度并减小湍流速度脉动相关而减小雷诺剪切应力，从而减小壁面摩阻；而热流的影响同时受雷诺应力降低和近壁燃烧放热两个趋势相反的因素影响，因此在不同条件下呈现增加或降低的不同变化结果。比外，对边界层燃烧流动开展了参数研究，发现在进入边界层的燃料射流流量一定时，较高的喷口高度结合较低的入射速度可以实现在不增加壁面热流的前提下显著降低壁面摩阻的效果。因此，近壁边界层燃烧技术可以作为发动机燃烧室内减阻的一种流动控制技术。. 本项目在研究过程中共发表SCI论文7篇，分别发表在International Journal of Heat and Mass Transfer，AIAA Journal, Aerospace Science and Technology, Computers and Fluids, International Journal of Hydrogen Energy期刊。同时发表EI论文3篇，国际会议论文3篇，中文核心期刊综述文章2篇，并受邀做国际会议报告1次。授权发明专利一项“基于边界层燃烧的超燃冲压发动机内流道减阻方法（ZL201710970868.8）”。共培养博士生3名、硕士生2名。