一种能够同时计算燃烧室污染物CO和NO制造技术

本发明专利技术公开了一种能够同时计算燃烧室污染物CO和NO

【技术实现步骤摘要】
一种能够同时计算燃烧室污染物CO和NO
x
数值的方法


[0001]本专利技术属于航空航天科学
属于湍流流动数值仿真领域，具体涉及一种能够同时计算燃烧室污染物CO和NO
x
数值的方法。

技术介绍

[0002]随着环境保护相关法律法规的不断完善和增强，低污染燃烧过程的组织实现愈发重要，对低排放燃烧室的设计要求更加严苛。燃烧室传统设计过程周期较长，性能评估较慢。数值仿真计算技术的快速发展，为经济且高效的预测燃烧污染物分布特性提供了有力支撑，逐渐成为工业应用的重要辅助工具。
[0003]燃烧室污染物计算复杂多样，需要稳定快速同时精度较高的湍流化学燃烧耦合模型。现今，湍流数值模拟方法主要分为雷诺时均模拟(RANS)、大涡模拟(LES)和直接数值模拟 (DNS)。RANS方法对湍流场中所有尺度的涡系结构模化，在高雷诺数非定常湍流燃烧模拟中表现欠佳，不同流动依赖于不同RANS模型的选择；LES和DNS方法对计算资源需求较高，特别是高雷诺数流动的近壁区域求解，这导致LES和DNS在工程湍流燃烧问题中应用受限。混合RANS/LES方法近年来发展迅速，产生了PANS、PITM等众多模拟方法。
[0004]燃烧污染物的两类重要代表是CO和NO
x
，二者的产生机理差异显著。通常CO和NO
x
的数值预测需要使用详细化学反应机理，这对传统涡耗散EDC等燃烧模型来说需要消耗巨大的计算资源。近年来，由Van Oijen等学者发展的FGM燃烧模型作为详细化学热力学建表的代表性方法之一，采用有限个特征标量描述化学反应过程，并查表获取湍流燃烧场中各种物理信息，即使采用详细化学反应机理，也因为只求解特征标量的输运方程，可以大幅缩减计算资源的占用。但是FGM燃烧模型基于短时间尺度，对于污染物CO的预测比较适用。而对燃烧完全后生成过程才变得明显的NO
x
等长时间尺度的污染物生成化学反应，不能正确的描述，计算的精度较差，目前仍缺乏相对统一的模拟方法。
[0005]综上来看，针对燃机燃烧室为代表的湍流燃烧污染物排放，CO和NO
x
是两类重要的污染物，目前多数方法对CO和NO
x
的预测精度不高，或者仅能预测CO，同时能够对二者进行准确预测的方法很少。基于此，发展能够同时准确预测CO和NO
x
污染物的数值计算方法具有重要的意义。

技术实现思路

[0006]针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种能够同时计算燃烧室污染物CO 和NO
x
数值的方法，以解决现有的污染物计算过程中，时间尺度跨度较大，精度较低，计算成本较高以及只能单独预测CO或NO
x
的问题。本专利技术方法可以在较低网格量下，对一般燃烧室污染物CO和NO
x
实现高精度计算，预测更加详细的污染物分布。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术的一种能够同时计算燃烧室污染物CO和NO
x
数值的方法，步骤如下：
[0009](1)定义分辨率控制函数F
r
；
[0010](2)通过Smag亚格子模型，计算所述步骤(1)中分辨率控制函数F
r
中的滤波尺度系数C
x
，并进一步计算分辨率控制函数F
r
大小；
[0011](3)随着离散网格尺度的变化，使所述步骤(1)中分辨率控制函数进行自适应调整，来实现整体计算域中非定常RANS模式、LES模式、DNS模式之间的自适应光滑切换；
[0012](4)基于所述分辨率控制函数F
r
，重新模化Realizable k
‑
ε湍流模型中的湍流粘性系数μ
t
，得到模化后的新湍流粘性系数
[0013](5)基于特征变量混合物分数Z和反应进度变量C构建部分预混FGM层流热力学表，以计算CO污染物；
[0014](6)构建化学反应器网络CRN模型，设定全局为标准PSR化学反应器，建立自动分区规则，以计算NO
x
污染物。
[0015]进一步地，所述步骤(1)的具体步骤如下：
[0016]定义分辨率控制函数F
r
为：
[0017][0018]其中，为最小值函数，exp(d)＝e
d
为自然指数函数；n，β为模型经验常数；L
i
，L
c
和L
k
分别为积分长度尺度，湍流截断长度尺度和Kolmogorov长度尺度，表达式分别为：
[0019][0020][0021][0022]式中，C
x
为滤波尺度系数；Δ
x
Δ
y
Δ
z
分别为网格在x,y,z三个方向上的尺度大小，由离散过程决定；v为流体粘性系数；k为湍流动能、ε为湍流耗散率。
[0023]进一步地，所述步骤(2)的具体步骤如下：
[0024]通过Smag亚格子模型计算滤波尺度C
x
为：
[0025][0026]式中，C
μ
为湍流模型理论常数，其值为0.09；C
s
为Smag亚格子模型中的经典系数，采用均匀剪切流中常用值0.1，计算所得C
x
为0.61。
[0027]进一步地，所述步骤(3)的具体步骤如下：
[0028]定义的分辨率控制函数F
r
的值在0～1之间，在计算域中F
r
值自适应分布；当F
r
的值在当地趋近于1时，调用RANS模式求解；当F
r
的值在当地趋近于0时，调用LES/DNS模式求解，趋近于零，DNS模式的求解比例越高，此时流场中更多的细小涡系结构被解析。
[0029]进一步地，所述步骤(4)的具体步骤如下：
[0030]Realizable k
‑
ε模型中的湍流粘性系数μ
t
定义如下：
[0031]μ
t
＝ρC
μ
k2/ε
[0032]式中，ρ为流体密度；
[0033]对湍流粘性系数μ
t
重新模化，模化后的湍流粘性系数记为具体如下：
[0034][0035]进一步地，所述步骤(5)的具体步骤如下：
[0036](51)采用部分预混FGM层流热力学建表，基于特征变量混合物分数Z和反应进度变量C构建层流热力学表；采用假定PDF方法实现流动和化学反应的解耦计算，混合物分数Z 和反应进度变量C的假定概率密度函数分别由其平均值和方差确定；具体计算中，只需要计算混合物分数和方差反应进度变量及方差的输运方程，方程式如下所示：
[0037][0038][0039][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能够同时计算燃烧室污染物CO和NO
x
数值的方法，其特征在于，步骤如下：(1)定义分辨率控制函数F
r
；(2)通过Smag亚格子模型，计算所述步骤(1)中分辨率控制函数F
r
中的滤波尺度系数C
x
，并进一步计算分辨率控制函数F
r
大小；(3)随着离散网格尺度的变化，使所述步骤(1)中分辨率控制函数进行自适应调整，来实现整体计算域中非定常RANS模式、LES模式、DNS模式之间的自适应光滑切换；(4)基于所述分辨率控制函数F
r
，重新模化Realizable k
‑
ε湍流模型中的湍流粘性系数μ
t
，得到模化后的新湍流粘性系数(5)基于特征变量混合物分数Z和反应进度变量C构建部分预混FGM层流热力学表，以计算CO污染物；(6)构建化学反应器网络CRN模型，设定全局为标准PSR化学反应器，建立自动分区规则，以计算NO
x
污染物。2.根据权利要求1所述的能够同时计算燃烧室污染物CO和NO
x
数值的方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤如下：定义分辨率控制函数F
r
为：其中，为最小值函数，exp(d)＝e
d
为自然指数函数；n，β为模型经验常数；L
i
，L
c
和L
k
分别为积分长度尺度，湍流截断长度尺度和Kolmogorov长度尺度，表达式分别为：别为：别为：式中，C
x
为滤波尺度系数；Δ
x
Δ
y
Δ
z
分别为网格在x，y，z三个方向上的尺度大小，由离散过程决定；v为流体粘性系数；k为湍流动能、ε为湍流耗散率。3.根据权利要求2所述的能够同时计算燃烧室污染物CO和NO
x
数值的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤如下：通过Smag亚格子模型计算滤波尺度C
x
为：式中，C
μ
为湍流模型理论常数，其值为0.09；C
s
为Smag亚格子模型中的经典系数，采用均匀剪切流中常用值0.1，计算所得C
x
为0.61。4.根据权利要求3所述的能够同时计算燃烧室污染物CO和NO
x
数值的方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤如下：
定义的分辨率控制函数F
r
的值在0～1之间，在计算域中F
r
值自适应分布；当F
r
的值在当地趋近于1时，调用RANS模式求解；当F<...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩省思，陈涛，张宏达，万斌，程明，马宏宇，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：