如何有效地模拟燃气轮机熄火

大多数CFD和燃烧模拟依赖于有限的、负担得起的网格计数。工程师使用粗糙的网格来实现可用硬件资源的快速周转。

然而，模拟专家必须确保这些粗糙的网格仍然达到所需的精度。毕竟，这些模拟被用于防止1982年6月英国航空公司9号航班和2008年1月38号航班的引擎熄火等事故。幸运的是，数学模型为工程师提供了他们所需要的网格精度。

例如，有限速率效应——这是因为燃烧反应不是立即发生，而是需要一段时间——是燃气涡轮发动机熄火的主要原因。模拟有限速率效应具有挑战性，因为您可能需要数百个标量和精细尺度的信息才能获得准确的结果。

传统上，这种级别的细节超出了负担得起的网格分辨率。然而,Ansys流利用户可以使用一些很酷的技巧来模拟接近火焰熄灭，只使用几个标量和一个相对粗糙的网格，比你可能期望的。

什么原因导致涡轮熄火?

火焰熄灭是由反应室外过多的热传递或链分支自由基的显著损失引起的。如果发生这两种情况中的任何一种，热量损失大于燃烧燃料产生的热量，火焰就会熄灭——因此，术语“熄火”。

基于Ansys Fluent的汽轮机熄火仿真

由于天气影响，燃料短缺，压缩机失速或其他机械故障，在高巡航高度影响燃气涡轮发动机熄火。

工程师使用模拟来模拟熄火和接近熄火的情况。这使得工程师能够通过改进涡轮设计来研究、预测和限制熄火。

如何在Ansys Fluent中建模发动机熄火

Ansys Fluent可以模拟旋涡喷雾火焰接近灭绝在一个剑桥钝体旋涡燃烧器。这些模拟可以用来比较稳定的正庚烷火焰(H1S1)和接近爆裂的正庚烷火焰(H1S2)。

六叶片旋流器和钝体几何结构

模拟结果表明，喷雾形态为60度空心锥形(见下图)。

使用Ansys Fluent进行温度着色的喷雾图案

一个应力混合涡模拟(SBES)模型用于预测近壁热损失。该模型采用应力混合技术准确地预测了壁面附近的边界层条件。

SBES模型采用reynolds -平均Navier-Stokes剪切应力-运移(RANS SST-k-w)模型求解近壁边界层。然而，大涡模拟(LES)是用来解决核心湍流流动。

RANS和LES模型的混合允许更好的近壁传热建模，并减轻了对近壁细网格的需求。这使得熄火模拟更加有效。

下图显示了使用这两种流体动力学模型的地方。

SBES混合函数。红色表示RANS建模和
蓝色表示LES建模。

采用欧拉-拉格朗日框架下的小火焰生成流形(FGM)模型对系统的燃烧进行了模拟。FGM仅用几个标量来模拟湍流涡轮环境的复杂演化。

换句话说，Fluent的FGM可以提高模拟的效率。FGM详细描述了化学作为标量的函数，包括:

• 混合分数均值。
• 混合分数方差。
• 进步变量均值。
• 进度变量方差。
• 意味着焓。

最后，采用共轭换热模型，较好地预测了流动与钝体表面之间的换热。壁面温度分布如下图所示。

壁面温度分布

Ansys Fluent的熄火模拟与实验对比如何

下面可以看到另一个火焰表面。这幅图像是由火焰在钝体上方的高度着色的。

平均火焰刷由平均温度的等距剪辑可视化
在1600-2000K范围内

模拟结果表明，火焰升力约为4 ~ 6 mm，与实验结果吻合较好。

H1S1火焰升空高度

此外，模拟喷雾的平均轴向速度在不同位置与实验测量值吻合较好。

平均喷淋轴向速度

综上所述，结果表明了Ansys流利的预测接近熄灭特性的燃烧工具。

如果你想了解更多，请观看我们的网络研讨会。”气动仿真湍流建模的新范式”。