考虑热化学非平衡效应的DLR燃烧器的数值模拟

《The Aeronautical Journal》：Numerical simulation of the DLR combustor considering the thermochemical non-equilibrium effect

热化学非平衡效应对DLR燃烧器性能的影响研究表明，采用两温度模型与振动-化学耦合模型模拟Mach2和6工况时，能量转换差异显著，非平衡程度与松弛时间相关。Mach6工况出现明显边界层分离，燃烧主要在剪切层发生，且NO生成量较Mach2工况提高，热化学非平衡效应导致燃烧效率在Mach2工况下提升10%和0.27%，而Mach6工况抑制上游燃烧并促进下游燃烧。

　　

摘要

本研究利用双温度模型结合振动-化学耦合模型，探讨了DLR燃烧室中的热化学非平衡效应。选取了两种不同的运行条件进行研究：进口马赫数为2和6的情况。仿真结果表明，平动-振动非平衡状态与能量传递行为及平动-振动松弛时间密切相关。当动能和化学能转化为内能时，这两种能量形式之间的转化程度存在显著差异。如果平动-振动松弛时间大于流动时间（例如，进口马赫数为2时的主流后震波松弛时间为0.25秒，而流动时间为3×10^-5秒），则会出现非平衡现象。马赫数为2和6时的流场存在明显差异：在马赫数为6的情况下，会形成明显的边界层分离。燃烧发生在处于平动-振动平衡状态的剪切层中，而其他区域的非平衡程度则有所不同。N2的解离及NO的生成主要发生在燃烧室的结构壁以及上下壁面上；此时NO的质量分数高于马赫数为2时的值。热化学非平衡效应会影响燃烧性能：在马赫数为2的条件下，燃烧效率在喷枪附近提高了10%，在出口处提高了0.27%。在进口马赫数为6的情况下，非平衡现象会抑制上游区域的燃烧，但会略微促进下游区域的燃烧。

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