CN114218674A - 一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及*** - Google Patents

一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及***。该方法包括：建立燃油‑气体‑液滴多相流物理模型；基于燃油‑气体‑液滴多相流物理模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况；根据中心速度场和流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分；采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化；将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点；对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。本发明具有计算量小、稳定性高、液体属性可调整、液滴轨迹可追踪等优势。

Description

一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及***
技术领域
本发明涉及飞行器性能预测技术领域，特别是涉及一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及***。
背景技术
飞行器性能的提高和污染物排放的降低离不开航空发动机技术的进步。在航空发动机领域中，燃烧室是构成发动机核心机的关键组件。目前所有的航空发动机燃烧室都需要借助液体燃油的雾化破碎、蒸发燃烧过程来提供飞行器动力。因此，液体燃油在燃烧室中的雾化破碎过程将直接影响发动机的整体性能表现。在这一过程中，液体燃料通过燃油喷嘴内部形成旋转连续射流，与周围或掺混空气发生强烈的相互作用，经历一次、二次破碎，形成直径小且易于蒸发的燃油液滴，最后在高温高压高旋流的环境中蒸发与燃烧。
对于燃油的雾化性能来说，目前主要有三种方法进行仿真预测：
第一种是基于界面追踪的欧拉网格方法，将气液两相均看作连续性流体，共用一套控制方程求解两相流动，在界面上进行额外处理以保持计算的稳定性。该方法虽然可以精确地复现液柱液膜表面发生波动并产生液滴的过程，却难以应用到真实航空发动机燃油雾化数值模拟中。
第二种方法是基于颗粒轨道追踪(DPM)的拉格朗日颗粒动力学方法，该方法将气相作为连续相，将液相模化为拉格朗日液包或粒子以模拟破碎后的液滴行为，液滴的运动过程分解为受冲力支配的瞬时碰撞运动及受流体曳力控制的悬浮运动，从而建立了液滴运动分解模型。第二种方法需要结合实验修正射流破碎过程，这种方法依赖于从喷嘴出***出的球形液包的拉格朗日描述并且忽略了相界面运动的所有细节。虽然该方法计算量得到了降低，但是牺牲了射流破碎真实过程的描述，无法通过模拟结果研究雾化破碎机理。
第三种方法是欧拉界面追踪与颗粒轨道追踪相耦合的方法，如VOF-DPM 耦合方法，对于航空发动机燃油的一次雾化过程采用VOF界面追踪方法进行描述，对于燃油破碎形成的液滴的运动采用DPM颗粒轨道追踪方法进行描述，该方法充分结合了界面追踪法和轨道追踪法的优势，可以描述燃油经过一次雾化和二次雾化直到蒸发燃烧的过程。虽然第三种方法充分结合了界面追踪法和轨道追踪法的优势，相比完全界面追踪法来说提高了计算效率，但是对于实际航空发动机来说，燃烧室中燃油经一次雾化之后形成的小液滴的数量同样巨大，对每个小液滴均采用轨道追踪的方法进行描述同样将消耗大量的资源，同时液滴间还存在碰撞反弹、碰撞聚合、碰撞破碎等复杂的相互作用，对其进行细粒度的追踪同样将花费大量的时间。另外，颗粒轨道追踪方法对于液滴间的碰撞采用的是碰撞概率模型，无法获得液滴间的碰撞细节，计算的准确性存在一定的不足。因此，在此基础上发展更加快速高效同时具有较高计算精度的仿真技术，对航空发动机燃油喷嘴雾化性能的评估来说将具有重大意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法及***。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，包括：
建立航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型；所述三维几何模型为网格模型；；
基于所述三维几何模型，建立燃油-气体-液滴多相流物理模型；所述燃油 -气体-液滴多相流物理模型包括对燃油-气体两相流物理模型、气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型；
基于所述燃油-气体两相流物理模型、所述气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况；
根据所述中心速度场和所述流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分；
采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化；
将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点；
对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。
可选地，在建立燃油-气体-液滴多相流物理模型之后，还包括：对雾化过程气体和燃油的物性参数进行选取和确定。
可选地，所述建立燃油-气体-液滴多相流物理模型，具体包括：
建立燃油-气体的两相流动物理模型；
建立燃油的表面张力和粘性力本构模型；
建立气液两相界面追踪的流体体积函数模型；
建立液滴的离散动力学模型；
建立液滴的拟流体模型。
可选地，对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数，具体包括：
当网格内的拉格朗日粒子体积分数小于等于0.02时，采用离散单元法对液滴的离散动力学模型进行离散；
当网格内的拉格朗日粒子体积分数大于0.02时，采用SDPH方法对液滴的拟流体模型进行离散。
可选地，还包括：
当液滴发生剪切破碎时，采用液滴的二次破碎模型TAB模型进行计算；
当液滴之间因相互碰撞作用而发生聚合、反弹和破碎的问题，采用 O'Rourke模型进行计算。
可选地，还包括：
对于DEM颗粒与SDPH粒子之间的相互作用问题，采用DEM颗粒之间的相互作用力法则进行计算。
本发明还提供了一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测***，包括：
三维几何模型建立模块，用于建立航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型；所述三维几何模型为网格模型；；
多相流物理模型建立模块，用于基于所述三维几何模型，建立燃油-气体- 液滴多相流物理模型；所述燃油-气体-液滴多相流物理模型包括对燃油-气体两相流物理模型、气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型；
中心速度场和流体体积分数分布情况确定模块，用于基于所述燃油-气体两相流物理模型、所述气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况；
划分模块，采用根据所述中心速度场和所述流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分；
网格细化模块，用于采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化；
转换模块，用于将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点；
计算模块，用于对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明一方面引入离散单元法，对小于一定尺度的液滴转化为拉格朗日颗粒，采用离散单元法进行数值计算，液滴与液滴之间的相互作用采用软球模型进行描述，克服了传统颗粒轨道模型采用碰撞概率方法对颗粒间的碰撞直接给定碰撞结果存在的精度低、可靠性差的不足；另一方面引入一种新型的无网格粒子仿真技术对液雾群进行描述，不同于传统的基于离散颗粒动力学的颗粒轨道追踪方法，新的粒子仿真技术基于连续介质力学方法，将大量液雾看成是拟流体，采用拉格朗日粒子方法进行离散，每个粒子表征具有一定粒径分布的液滴群，因此，可用少量的粒子即可表征实际燃烧室中的大量液雾，既可以追踪液雾的运动轨迹，又可以获取液雾的宏观特征量；第三方面，在引入以上两种方法的基础上耦合一次雾化的界面追踪方法，实现对航空发动机燃油雾化全过程的性能预测。本发明具有计算量小、稳定性高、液体属性可调整、液滴轨迹可追踪等优势，同时具有较好的实用性和可拓展性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法的流程图；
图2为本发明实施例航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型示意图；
图3为本发明实施例液滴转化为拉格朗日粒子点的转化过程示意图；
图4为本发明实施例转化为相应算法计的示意图；
图5为本发明实施例DPH粒子和DEM颗粒之间的相互作用示意图；
图6为本发明实施例同轴旋转液膜破碎雾化相界面发展图 (T＝1,3,9,12,15)；
图7为本发明实施例周向截面相界面叠加图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，包括：
步骤101：建立航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型；所述三维几何模型为网格模型；。
步骤102：基于所述三维几何模型，建立燃油-气体-液滴多相流物理模型；所述燃油-气体-液滴多相流物理模型包括对燃油-气体两相流物理模型、气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型。
步骤103：基于所述燃油-气体两相流物理模型、所述气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况。
步骤104：根据所述中心速度场和所述流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分。
步骤105：采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化。
步骤106：将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点。
步骤107：对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。具体的：当网格内的拉格朗日粒子体积分数小于等于0.02时，采用离散单元法对液滴的离散动力学模型进行离散；当网格内的拉格朗日粒子体积分数大于0.02时，采用SDPH方法对液滴的拟流体模型进行离散。
其中，步骤101具体包括：
采用商业软件UG建立喷嘴和喷雾流场的三维几何模型，再导入网格划分软件ANSYS-ICEM进行规则的网格划分，图2为示例所建的航空发动机双油路离心式雾化喷嘴结构的几何模型，包括左边的进口以及其他五个边界的出口，深色的圆环为燃油喷入口。
其中，步骤102具体包括：
燃油-气体-液滴多相流物理模型建立包括：建立燃油-气体的两相流动物理模型、燃油的表面张力和粘性力本构模型、建立气液两相界面追踪的流体体积函数模型、建立液滴的离散动力学模型以及建立大量液滴的拟流体模型。
首先对于燃油的一次雾化过程采用非稳态不可压缩Navier-Stokes方程建立燃油-气体的两相流动物理模型，表面张力模型和粘性力模型均作为源项添加在Navier-Stokes方程中，方程形式如下：
Figure BDA0003414659920000071
Figure BDA0003414659920000072
Figure BDA0003414659920000073
ρ为燃油的密度，u为燃油的速度，t为时间，p为燃油内部压力，μ为燃油的动力粘度，σ为燃油液体的表面张力系数，
Figure BDA0003414659920000074
为变形张量，κ为燃油-气体两相界面的曲率，n为燃油-气体两相界面的单位法向量，δs为两相界面处的法向量的绝对值，g为重力加速度，fbp为壁面对气液两相流体的作用力。
液滴的离散动力学模型方程如下：
Figure BDA0003414659920000075
Figure BDA0003414659920000076
Figure BDA0003414659920000077
Fdrag为液滴所受到的气体的曳力，Fg为液滴自身的重力，Fcol为液滴之间的碰撞作用力。m为液滴的质量，α代表直角坐标系的三个方向x，y，z；rp为液滴半径，CD为曳力系数，v为气流场速度矢量，vp为液滴速度矢量，ρp为液滴密度。
对于气液两相界面的追踪，采用流体体积函数方法(VOF)建立界面追踪物理模型，其中在只有气体、液体两相情况下材料的物性方程为：
Figure BDA0003414659920000078
Figure BDA0003414659920000079
体积分数输运方程为：
Figure BDA0003414659920000081
大量液滴的拟流体模型如下：
Figure BDA0003414659920000082
该方程描述了液滴拟温度的守恒关系，拟温度θ＝<C2>/3，C为液滴的脉动速度，
Figure BDA0003414659920000083
为由颗粒间应力产生的能量，
Figure BDA0003414659920000084
为能量耗散项， k为能量耗散系数，Ncθ为颗粒间碰撞产生的能量耗散项，具体参数方程如下
Figure BDA0003414659920000085
Figure BDA0003414659920000086
Figure BDA0003414659920000087
为液滴的体积分数。采用颗粒动理学理论获知，液滴相压力pp和粘性应力τp与液滴速度脉动的最大值相关，而液滴的速度脉动由液滴拟温度描述，液滴拟温度守恒方程如式(10).
Figure BDA0003414659920000088
Figure BDA0003414659920000089
式中，dp为颗粒的直径，epp为颗粒之间的碰撞恢复系数，
Figure BDA00034146599200000810
为由颗粒碰撞产生的颗粒相有效容积粘度，为中间变量。g0为颗粒的径向恢复系数
Figure BDA0003414659920000091
Figure BDA0003414659920000092
为可压缩条件下，颗粒介质可达到的最大体积分数值。
在模型建立后，还包括对雾化过程气体和燃油的物性参数进行选取和确定。根据步骤102所建立的气体、液体、液滴多相流物理模型，对其中涉及到的物性参数进行选取，气体密度ρg＝1.228kg/m3、粘度ηg＝1.8×10-5Pa·s，航空燃油液体密度ρl＝780kg/m3、粘度ηl＝3.0×10-3Pa·s，气液界面的表面张力为 0.0758N/m。
其中，步骤103具体包括：
对方程(1)和(9)进行时间离散得到
Figure BDA0003414659920000093
Figure BDA0003414659920000094
同时，对方程(1)和(2)进行推导，获得泊松方程如下：
Figure BDA0003414659920000095
另外，
Figure BDA0003414659920000096
上式中，u*为速度中间项，由下式近似计算
Figure BDA0003414659920000097
nf为面的法向单位向量，Δ为控制体的长度尺寸。
求解方程(18)结束后，对面中心速度中间项进行压力修正：
Figure BDA0003414659920000098
式中，
Figure BDA0003414659920000101
是一个面中心梯度算子。
应用体中心压力修正，可以获得n+1步体中心速度场
Figure BDA0003414659920000102
式中，算子||c代表对控制体所有面进行平均运算。
以上控制方程的求解步骤如下：
1)初始设定VOF函数的体积分数值、速度值和边界条件；
2)根据当前时刻的体积分数值Cn和速度矢量un，求解方程(17)，获得
Figure BDA0003414659920000103
3)由
Figure BDA0003414659920000104
和方程(7)、(8)计算得到
Figure BDA0003414659920000105
和
Figure BDA0003414659920000106
4)根据
Figure BDA0003414659920000107
和un，采用二阶迎风格式计算输运项
Figure BDA0003414659920000108
5)根据
Figure BDA0003414659920000109
及un，采用Crank-Nicholson方法及空间中心差分格式直接离散粘性项；
6)根据
Figure BDA00034146599200001010
及表面张力模型计算表面张力项
Figure BDA00034146599200001011
7)在步骤(1)-(6)基础上，求解方程(16)，计算得出u*；
8)在u*基础上，计算泊松方程，获得
Figure BDA00034146599200001012
9)由u*、
Figure BDA00034146599200001013
以及
Figure BDA00034146599200001014
根据方程(19)计算得出un+1；
10)循环步骤(1)-(9)计算得到下一时刻的结果。
其中，步骤105具体包括：
对于界面来说，为了精确地捕捉到界面的演变，对界面进行网格细化处理，采用的是正交笛卡尔网格自适应技术。具体步骤为：
1)设定网格自适应准则：体积分数0<C<1；
2)对于满足网格自适应准则的所有叶网格单元进行加密，加密的等级为设定的最高等级，采用约束条件对毗邻网格也进行加密处理，重复这一过程，直至所有自适应准则和约束条件都满足；
3)对所有叶网格单元的母网格单元进行处理，对符合加密准则和约束条件的母网格单元进行加密处理，对不符合加密条件的网格则进行稀疏处理。
对于网格加密处理或稀疏处理之后的新网格，进行变量的初始化。对于加密后生成的新网格，根据母网格的变量值和梯度值，采用简单线性插值算法计算新网格的变量值。对于稀疏化生成的新网格，通过对其稀疏化前子网格的变量进行体积率加和平均计算，从而保证变量大小的精确性。
其中，步骤106具体包括：
对于燃油雾化过程中，生成的大量小的液滴，当液滴直径接近或小于4-6 个网格尺度时，同时判定其形状接近球形时将其转化为粒子，转化准则被描述为：
Vd≤Vcut (23)
Figure BDA0003414659920000111
式中，Vd是液体结构的体积，Vcut是体积转化标准，e是液体结构的离心率，代表着界面上任意一点与质量中心的距离与网格尺度Δxg等效液滴半径Rd值的比。形状准则ecut取1.5。
转化过程示意图如图3所示，对于转化前后粒子的大小、质量、速度均保持不变，存在的区别就在于转化前液滴是包含连续性界面的实际液滴，界面需要在网格上进行定位；转化后的粒子不再具有真实的表面，不需要追踪定位界面，粒子的大小靠粒子的半径来决定。在粒子转化完之后，进行网格的粗化处理，将4×4个(二维)原网格转化为一个粗网格，如图3所示，其中ml＝mp， rl＝rp，ul＝up，vl＝vp，wl＝wp，Δx2＝4Δx1。
其中，步骤107具体包括：
在步骤106基础上，对每一个粗网格内液滴的体积分数进行计算，计算公式如下：
Figure BDA0003414659920000112
∑Vp为网格内所有液滴体积的和，Vm为网格的体积。
①对于体积分数小于等于0.02的网格内的液滴来说采用离散单元法 (DEM)对公式(4)进行离散，计算的公式如下：
Figure BDA0003414659920000121
式中，mi为颗粒i的质量，
Figure BDA0003414659920000122
为颗粒i在α方向的速度。t为时间，mig为颗粒所受到的重力，
Figure BDA0003414659920000123
与
Figure BDA0003414659920000124
分别为颗粒i与j的接触力与粘性接触阻尼力，ki为所有与颗粒接触的颗粒总数。
颗粒i与j之间的接触力
Figure BDA0003414659920000125
分解为：法向接触力与切向接触力，即
Figure BDA0003414659920000126
法向接触力的计算采用Hertz模型
Figure BDA0003414659920000127
式中
Figure BDA0003414659920000128
δn为颗粒i与j接触时的侵入深度
δn＝Ri+Rj-|Rj-Ri| (37)
切向接触力的计算采用Coulomb准则
Figure BDA0003414659920000129
式中，μs为静摩擦系数，切向摩擦力的方向与相对滑动的趋势相反。
对于粘性接触阻尼力
Figure BDA00034146599200001210
也分解为法向与切向分量形式，即
Figure BDA00034146599200001211
法向粘性接触阻尼力
Figure BDA00034146599200001212
的计算采用以下形式：
Figure BDA00034146599200001213
式中，cn为法向粘性接触阻尼系数。
切向接触阻尼力
Figure BDA00034146599200001214
的计算采用以下形式：
Figure BDA00034146599200001215
式中，ct为切向粘性接触阻尼系数。
②对于体积分数大于0.02的网格内的液滴来说将该网格单元转化为一个 SDPH粒子，采用SDPH方法对公式(1)(2)(10)进行离散，计算的公式如下：
Figure BDA0003414659920000131
Figure BDA0003414659920000132
Figure 1
式中的i,j分别是指的i粒子和j粒子，Wij为i粒子和j粒子之间的核函数的数值，W为核函数，h为光滑长度。
在SDPH中，SDPH粒子的质量与其所代表的液滴群的总质量相等，密度为液滴群的有效密度，速度为液滴群的均值速度，拟温度以及压力均为所代表的液滴群的均值拟温度及均值压力，同时SDPH粒子携带表征液滴群粒径分布特性的粒径均值、方差及单颗粒数量。
拟温度梯度
Figure BDA0003414659920000134
的SDPH离散公式为
Figure BDA0003414659920000135
对上述方程组进行封闭所涉及的颗粒压力及剪切力公式如(13)～(15)。
如图4所示，实心粒子为转化之前的粒子，小的空心粒子为DEM粒子，大的网格状粒子为SDPH粒子，对于液滴体积分数小于0.02的网格内的液滴直接转化为DEM粒子，DEM粒子的大小与图3中转化之后的粒子大小相同，密度、质量、速度等均相同；对于液滴体积分数大于0.02的网格，每个网格转化为一个SDPH粒子，SDPH粒子的密度为液滴的实际密度与该网格内液滴的体积分数的乘积，SDPH粒子的质量为该网格内液滴的总质量，SDPH所携带的液滴的数目为该网格内液滴的总数目，SDPH粒子的位置为该网格中心点位置，SDPH粒子的速度为该网格内所有液滴在网格中心点处的速度插值。
③液滴进一步二次破碎和液滴间相互碰撞作用的处理方法
对于液滴后续运动过程中受到气体的吹动作用而发生剪切破碎的问题，采用液滴的二次破碎模型TAB模型进行计算，获得液滴的进一步破碎细节；对于液滴后续运动过程中，由于两两之间的相互碰撞作用而发生聚合、反弹和破碎的问题，采用O'Rourke模型进行计算，获得液滴碰撞之后的结果。
④对于SDPH粒子和DEM颗粒之间的相互作用
对于转化为相应算法之后的SDPH和DEM之间的相互作用问题，采用以下策略计算，示意图如图5所示。总体原则是，对于DEM颗粒与SDPH粒子之间的相互作用问题，采用DEM颗粒之间的相互作用力法则计算。SDPH粒子按照SDPH粒子转化成DEM粒子的方法，将SDPH粒子隐形的转化成DEM 粒子后计算SDPH与DEM(等效两个DEM粒子)之间的相互作用力，包括切向接触力Fc,ij＝Fcn,ij+Fct,ij和法向接触阻尼力Fd,ij＝Fdn,ij+Fdt,ij，作用在SDPH和 DEM两者之间的作用力大小相等、方向相反，作为动量方程源项加入到各自方程计算中，公式如下：
考虑DEM粒子对SDPH粒子作用的SDPH方法动量方程
Figure BDA0003414659920000141
考虑SDPH粒子对DEM粒子作用的DEM方法的动量方程
Figure BDA0003414659920000142
Figure BDA0003414659920000143
为DEM粒子作用于SDPH粒子上的作用力在α方向的分量，FSDPH为 DEM粒子作用于SDPH粒子上的作用力矢量。
确定进出口边界条件和时间步长
本发明中初始是采用有限体积方法计算燃油喷射过程，所以对有限体积方法施加进出口和壁面边界。对于燃油喷射，设定入口为速度入口边界，气体沿入口法线方向流入流场中；出口处，施加流动出口边界条件，即速度梯度为零，
Figure BDA0003414659920000144
沿着壁面边界，对气体和液体相均施加无滑移边界条件 ugx＝ugy＝ugz＝0。时间步长取值为10-6s。
对于步骤107计算得到的粒子的场变量变化率dρ、dv、dθp以及位移dxi进行时间积分，从而获得不同时刻的场变量，采用的时间积分格式如下：
对粒子采用显式时间积分求解，采用蛙跳积分方法，对时间具有二阶精度，并且存储量低，计算效率高
Figure BDA0003414659920000151
xi(t+δt)＝xi(t)+vi(t+δt/2)δt (49)
式中
Figure BDA0003414659920000152
表示物质的密度ρ，速度v，拟温度θp，xi为粒子i处的位置坐标。
计算机编程实现
对于步骤103-107所建立的模型和算法采用计算机编程的方式实现，采用的编程语言为C++，编译的环境为Linux***，硬件环境为处理器为Intel(R) Core(TM)[email protected] 2.30GHz、内存16GB、16核、硬盘容量为500G.
计算机模拟计算
在计算机编程实现的基础上进行编译，采用多核并行的方式计算，计算燃油和气体经过喷嘴进入空间流场之后，形成液膜、液丝再到液滴以及液滴的二次破碎、液滴间碰撞等整个过程，获得不同时间节点上的流场数据和液滴数据，包括ρ、v、θp、xi、dp。
结果后处理
采用商业软件Tecplot，按照程序控制信息提供的数据输出方式，输出所有场变量，生成相关动画。按照程序控制信息提供的粒子/节点编号和变量类型编号，生成相关变量的时间历程曲线。如图6所示展示了tecplot软件处理得到的同轴旋转液膜破碎过程中液膜、液丝和液滴的形态变化、液滴空间分布等。
图7展示了无量纲时间为T＝3，6，9，15，周向0°-180°，60°-240°，120°-300°截面相界面的叠加，其中图7(a)中T＝3、图7(b)中T＝6、图7(c)中T＝9、图7(d)中T＝15。在相互接触之前，内外旋转液膜光滑向下游发展，轴对称性较好。当液膜接触后，强烈的动量交换导致融合表面大幅度非对称扰动。内外液膜之间形成封闭的空气腔。随着时间的推进，液体结构扩展分散到更宽的空间中，融合液膜在较短的距离内完成破碎。下游液丝液滴的空间分布和回卷运动表明扩展液膜的内部形成了稳定的回流区。
结果分析和机理揭示
最后通过对燃油雾化过程进行动态展示，一方面对不同参数影响下的雾化结果进行分析，获得燃油雾化规律，揭示气液两相界面演变以及液滴的二次雾化的物理机理，在此基础上建立燃油雾化理论预测模型，用于航空发动机燃油雾化装置的设计；另一方面，可直接对不同燃油雾化装置下的雾化特性进行预测、对不同燃料下的雾化特性进行预测、对不同环境条件下的雾化特性进行预测，从而为优化燃油雾化装置、研发新型替代燃料、改进发动机的工作环境提供数据支撑。
本发明具体以下优点：
(1)本发明突破了传统仅采用界面追踪技术进行一次雾化仿真的现状，当界面追踪用于二次雾化时，由于网格自适应而带来的巨大计算量的问题无法有效解决，而本发明引入了粒子模拟技术，无需对二次雾化采用界面追踪进行模拟，不仅可以精确计算二次雾化中液滴的二次破碎和液滴间碰撞问题，同时大大降低计算量；
(2)本发明突破了传统仅采用颗粒轨道追踪技术进行二次雾化仿真的现状，采用颗粒轨道追踪技术无法获取液膜、液丝破碎的一次雾化过程，该技术仅能从雾化后形成液滴之后开始计算，对于一次雾化过程是忽略的，无法采用该方法去认识雾化过程的细节，而本发明充分结合了一次雾化的界面追踪过程，直接从燃油进入雾化装置开始进行计算，包括燃油在喷嘴内部的流动、燃油在喷嘴出口的积聚、液膜的形成与破碎、液丝的形成和断裂、液滴的形成与运动等均可以有效捕捉，克服了颗粒轨道追踪技术的不足。
(3)本发明还解决了现有界面追踪技术和颗粒轨道追踪技术相结合用于燃油雾化全过程模拟存在的不足，因为现有的耦合方法对于二次雾化采用的是颗粒轨道追踪方法，该方法需要对一次雾化形成的所有液滴进行实际建模，计算量大，同时液滴与液滴之间的碰撞采用概率模型的方式，直接获得碰撞之后的结果，无法获知液滴在碰撞过程中的实际运动过程。而本发明一方面引入离散单元法替代颗粒轨道追踪方法，对于液滴间的碰撞采用软球模型计算，获得液滴碰撞过程中的变形运动细节；另一方面，本发明按照液滴在空间中的体积分数情况进行算法的转化，将体积分数大于0.02达到拟流体状态的液滴群转化为SDPH方法进行模拟，一个SDPH粒子表征一系列具有一定粒径分布的液滴群，液滴与液滴之间的相互作用采用拟流体模型进行描述，大大降低计算量的同时提高计算的精度。
本发明还提供了一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测***，包括：
三维几何模型建立模块，用于建立航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型；所述三维几何模型为网格模型；；
多相流物理模型建立模块，用于基于所述三维几何模型，建立燃油-气体- 液滴多相流物理模型；所述燃油-气体-液滴多相流物理模型包括对燃油-气体两相流物理模型、气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型；
中心速度场和流体体积分数分布情况确定模块，用于基于所述燃油-气体两相流物理模型、所述气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况；
划分模块，采用根据所述中心速度场和所述流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分；
网格细化模块，用于采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化；
转换模块，用于将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点；
计算模块，用于对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，其特征在于，包括：
建立航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型；所述三维几何模型为网格模型；；
基于所述三维几何模型，建立燃油-气体-液滴多相流物理模型；所述燃油-气体-液滴多相流物理模型包括对燃油-气体两相流物理模型、气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型；
基于所述燃油-气体两相流物理模型、所述气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况；
根据所述中心速度场和所述流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分；
采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化；
将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点；
对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。
2.根据权利要求1所述的用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，其特征在于，在建立燃油-气体-液滴多相流物理模型之后，还包括：对雾化过程气体和燃油的物性参数进行选取和确定。
3.根据权利要求1所述的用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，其特征在于，所述建立燃油-气体-液滴多相流物理模型，具体包括：
建立燃油-气体的两相流动物理模型；
建立燃油的表面张力和粘性力本构模型；
建立气液两相界面追踪的流体体积函数模型；
建立液滴的离散动力学模型；
建立液滴的拟流体模型。
4.根据权利要求3所述的用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，其特征在于，对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数，具体包括：
当网格内的拉格朗日粒子体积分数小于等于0.02时，采用离散单元法对液滴的离散动力学模型进行离散；
当网格内的拉格朗日粒子体积分数大于0.02时，采用SDPH方法对液滴的拟流体模型进行离散。
5.根据权利要求3所述的用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，其特征在于，还包括：
当液滴发生剪切破碎时，采用液滴的二次破碎模型TAB模型进行计算；
当液滴之间因相互碰撞作用而发生聚合、反弹和破碎的问题，采用O'Rourke模型进行计算。
6.根据权利要求3所述的用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测方法，其特征在于，还包括：
对于DEM颗粒与SDPH粒子之间的相互作用问题，采用DEM颗粒之间的相互作用力法则进行计算。
7.一种用于航空发动机燃油雾化全过程性能预测***，其特征在于，包括：
三维几何模型建立模块，用于建立航空发动机燃油雾化喷嘴及喷雾流场三维几何模型；所述三维几何模型为网格模型；；
多相流物理模型建立模块，用于基于所述三维几何模型，建立燃油-气体-液滴多相流物理模型；所述燃油-气体-液滴多相流物理模型包括对燃油-气体两相流物理模型、气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型；
中心速度场和流体体积分数分布情况确定模块，用于基于所述燃油-气体两相流物理模型、所述气液两相界面追踪的流体体积函数模型以及燃油的表面张力和粘性力本构模型，采用有限体积方法得到网格的中心速度场和流体体积分数分布情况；
划分模块，采用根据所述中心速度场和所述流体体积分数分布情况对气体和液体进行划分；
网格细化模块，用于采用正交笛卡尔网格自适应方法对气液两相界面进行网格细化；
转换模块，用于将雾化过程中小于规定尺寸的液滴转化为拉格朗日粒子点；
计算模块，用于对网格内所包含的不同体积分数的拉格朗日粒子进行计算，得到不同时间节点上的流场数据和液滴数据。
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