燃燒仿真軟件(CHCFDLab)
燃燒仿真軟件CHCFDLab是一款針對氣體燃燒仿真的專用工具。支持多塊結(jié)構(gòu)化拼接網(wǎng)格求解N-S方程,用于全聲速域條件下氣體湍流燃燒的復(fù)雜流場計算及排放物預(yù)測。
圖 1 燃燒仿真軟件
一、功能特點(diǎn)
1. 理想氣體、混合熱力學(xué)理想氣體不可壓/可壓縮N-S流體方程求解,可精確預(yù)測亞、跨、超、高超音速范圍內(nèi)(0.01<Ma<24)的復(fù)雜流場(激波邊界層干擾、內(nèi)外流一體化)特性;
2. 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程耦合N-S流體方程求解,可預(yù)測燃燒化學(xué)反應(yīng)與湍流耦合的復(fù)雜流動問題。
二、特色優(yōu)勢
1. 擁有工程驗(yàn)證的12種化學(xué)反應(yīng)機(jī)理數(shù)據(jù)庫文件和3種組分氣體熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,包括單溫模型、雙溫模型和三溫模型,溫度適應(yīng)范圍200K-20000K;
2. 空間和時間推進(jìn)耦合、CARM計算機(jī)自動簡化技術(shù)和ISAT鏈表技術(shù),對化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行有效保真簡化,MPI分布式大規(guī)模并行,計算效率高;
3. 高精度、低耗散、激波間斷捕捉能力強(qiáng)的先進(jìn)數(shù)值格式,包括3階MUSCL、6階WENO格式,計算精度高;
4. 集成RANS、DES、LES豐富的湍流模型和高效可靠的湍流化學(xué)耦合模型 。
三、精度驗(yàn)證
高超聲速鈍頭-雙球錐組合體氣動熱
a. 計算模型
來流馬赫數(shù)Ma=6.0
單位長度雷諾數(shù)為Re=8×10e-6
無粘通量采用Edwards低耗散通量分裂格式LDFSS
圖 2 高超聲速鈍頭-雙球錐組合體幾何和網(wǎng)格模型
b. 計算結(jié)果
圖 3 高超聲速鈍頭-雙球錐組合體壁面壓力與熱流分布仿真結(jié)果與試驗(yàn)及FLUENT對比
圖 4 高超聲速鈍頭-雙球錐組合體頭部壓力和溫度分布
四、典型案例
MSL返回艙再入大氣層氣動力、氣動熱仿真——高速飛行器大氣環(huán)境再入過程涉及高速、高溫、化學(xué)反應(yīng)、激波、等諸多復(fù)雜物理現(xiàn)象,軟件提供的多種氣體模型及寬泛的熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)范圍,能夠處理飛船以10馬赫的飛行速度返回大氣的過程。
圖 5 MSL返回艙再入馬赫數(shù)仿真結(jié)果
圖 6 飛行器鼻端流態(tài)分布于軸向力系數(shù)計算結(jié)果對比
沖壓發(fā)動機(jī)燃燒過程仿真——沖壓發(fā)動機(jī)作為一種高馬赫數(shù)飛行器的動力設(shè)備,其結(jié)構(gòu)簡單,但燃燒過程充滿了復(fù)雜的流動特征(如激波串、激波間相互干涉、激波邊界層干擾、橫向射流、交叉射流、燃燒膨脹、組分?jǐn)U散、湍流燃燒等),軟件提供了經(jīng)過驗(yàn)證的碳?xì)淙剂系幕瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理,和工程簡化且高效可靠的湍流燃燒模型,能更好適應(yīng)燃燒流場的數(shù)值模擬。
圖 7 沖壓發(fā)動機(jī)燃燒過程仿真
燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室計算——燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計不再只關(guān)注燃燒效率、啟停特性、燃燒穩(wěn)定等問題,NOx排放甚至碳氧化物排放也成為了設(shè)計過程考慮的重要指標(biāo)。軟件除了能夠滿足上述提及的傳統(tǒng)需求外,還能夠?qū)ξ廴疚镞M(jìn)行詳盡的預(yù)測。不同于普通商用軟件的工程計算方法,軟件采用了氮?dú)馀c氧氣的詳盡反應(yīng)機(jī)理來對NOx排放進(jìn)行預(yù)測,不但能明確NOx的排放量,更能以流暢的方式揭示NOx的產(chǎn)生機(jī)理,使設(shè)計優(yōu)化做到有的放矢。
圖 8 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒完成CH4和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布
圖 9 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒完成速度分布
五、行業(yè)客戶
航空:沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所、中國空氣動力研究與發(fā)展中心
航天:航天五院