(57)【要約】【課題】  航空機エンジン内部の希薄予混合火炎を含む燃焼流れを高精度に予測する数値シミュレーション技術が希求され、エンジン内部という幾何学的にも複雑な内部流を広範囲なマッハ数域で包括的に予測するシミュレーションシステムが重要となる。【解決手段】  非構造格子をベースにするシステムを開発することにより航空機用ジェットターボファンエンジンの燃焼器内という特殊で複雑な幾何形状に対応することを可能とした。非構造格子上において燃焼を含む乱流の非定常挙動をＬａｒｇｅ  Ｅｄｄｙ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎにより解析するシステムであり、燃焼面と燃料混合率分布を連成して解析することにより精緻な燃焼場推測を可能とし、これらの特徴を全て兼ね備えたトータルシステムとしての解析ソフトウェアを構築することが、課題の解決手段となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
非構造格子をベースとして圧縮性燃焼乱流場を解くために、混合分率輸送方程式とＧ方程式を同時に解き、流れ場の質量保存方程式と運動量保存方程式と関連付けて燃焼器内部の燃焼場の推定を高速に処理する燃焼流体解析プログラム。
【請求項２】
非構造格子をベースとして圧縮性燃焼乱流場を解くために、混合分率輸送方程式とＧ方程式を同時に解き、流れ場の質量保存方程式と運動量保存方程式と関連付けて燃焼器内部の燃焼場の推定を高速に処理する燃焼流体解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３】
非構造格子をベースとして圧縮性燃焼乱流場を解くために、混合分率輸送方程式とＧ方程式を同時に解き、流れ場の質量保存方程式と運動量保存方程式と関連付けて燃焼器内部の燃焼場の推定を高速に処理する燃焼流体解析プログラムを実行するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、非構造格子をベースに航空機用ジェットターボファンエンジンの燃焼器内の燃焼の解析を対象とする。すなわち、燃焼を含む乱流非定常流れ場のＬａｒｇｅ  Ｅｄｄｙ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（大渦シミュレーション）による解析に関する。ここで述べる方法は、航空機エンジンという特殊な環境化での流れ場に関する方法であるが、そこで採りあげられる希薄予混合火炎問題は、経済性に優れ汎用性の高い技術である。このため、この問題を高い精度で予測するシミュレーション技術に関する本方法は、燃焼器内部流れのような大規模な問題に対して特に有効な高速演算処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】エンジン内部の燃焼流れでは、ＮＯｘの低減化と高効率を達成するためのひとつの手段として希薄予混合火炎を採用する方法がある。しかしながら、問題はその不安定な挙動特性にある。このため、高安定高出力が求められる航空機エンジンへの導入は未だ達成されていない。【０００３】この問題を克服するには燃焼状態を予測する数値解析ソフトウェアの開発を開発し、燃焼状態を精度良く推定する解析ツールの開発が求められており、本発明はその要求を満たすものである。【０００４】そこで、内部燃焼流れを高精度に予側する数値シミュレーション技術が希求され、エンジン内部という幾何学的にも複雑な内部流を広範囲なマッハ数域で包括的に予測するシミュレーションシステムが重要となる。
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ｗｅｉｎｂｅｒｇ，；″Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄｓ（最先端の燃焼理論）″，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ（アカデミック出版），（１９８６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】    上記の不安定で非定常な燃焼現象を再現するため、Ｆｌａｍｅｌｅｔ概念に基づいたＬａｒｇｅ  Ｅｄｄｙ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（以下、ＬＥＳと略記する）によりターボファンエンジンに特化した燃焼現象を解析できるソフトウェアを開発した。ＬＥＳは時間平均を用いない手法であり、非定常現象に即した解析法である。Ｆｌａｍｅｌｅｔ概念においては、火炎面は非常に薄い面として定義され、その面はＧ方程式を用いて追跡を行う。【０００６】なお、予混合気の当量比が空間的に分布している状態でもＧ方程式が適用できるようにし、これに関連して希釈燃料の混合分率の輸送方程式を解き、これから等量比を算出している。【０００７】また、燃焼器独特の複雑な幾何形状を有しており、支配方程式の離散化に遡って対応する必要がある。
さらに、気体の圧縮性の存在も課題となり、亜音速から遷音速にかけての領域全体を一括したシミュレーションの実現が解析システムにとっての大きな課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】圧縮性の導入；本解析システムにおいては、燃焼による流れ場への影響は考慮していない。したがって流れ場と燃焼場についてはそれぞれ独立して扱うこととする。流れの圧縮性を考慮する理由は、亜音速から遷音速にわたる広範囲の流れの速度に対応するためである。流れ場の質量保存方程式は
2009191833.tif 000002
となる。また、運動方程式は以下のようになる。
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上式の右辺第３項はＲｅｙｎｏｌｄｓ応力と呼ばれ、乱流モデルにより評価される項である。渦
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対角和成分は無視する。すなわち、
2009191833.tif 000005
乱流拡散と分子拡散をあわせて記述すると、運動エネルギーの散逸は
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となる。したがって、運動保存式は以下のようになる。
上式の右辺に現れる渦粘性μＴは、標準的なＳｍａｇｏｒｉｎｓｋｙモデルにより与えられる。
2009191833.tif 000007
ここで
2009191833.tif 000008
である【０００９】非構造格子による離散化；離散化方法で使用される格子系は、構造格子と非構造格子、等がある。従属変数の配置方法は主に、スタガード変数配置法（速度成分に対してずらして配置される格子）とコロケイト変数配置法（全ての変数は同一のコントロールボリュームを使う）がある。本システムでは非構造格子を扱い、保存則に関連して有限体積法のコロケイト変数配置法を使用する。こうすることにより、燃焼器内部のように非常に複雑な幾何形状を有する場合でも、その取り扱いが容易に行えるという利便性を本システムは有する。【００１０】格子が形成するセルの形状としては、基本的に任意の形のセルを扱うことができるが、現段階では、４種類のセル、すなわちテトラ（４面体）、ピラミッド（５面体）、プリズム（５面体）およびヘキサ（６面体）メッシュを扱っている。以上の４種類のセルとそれらの混合メッシュを扱うことができる。【００１１】  Ｇ方程式の導入；予混合火炎面を追跡し燃焼状態を予測することを可能にするため、本解析ではＧ方程式を導入している。その移動方程式は次式で表される。
2009191833.tif 000009
ここで、Ｇ（ｘ，ｔ）は火炎面位置を表すスカラー場でＧ＝Ｇ０が火炎面位置、未燃側ではＧ＜Ｇ０、スカラー場Ｇの値は火炎面Ｇ＝Ｇ０に対する大小関係のみが意味を持つ。この方程式は火炎面が既燃側から未燃側へ向かう自身に垂直な方向へ、流れ場との相対速度ＳＬで伝播すると仮定することによって誘導されている。ＳＬは層流燃焼速度である。【００１２】また、この方程式は予混合火炎の火炎面に対する現象論的なモデルのため、反応進行度輸送方程式と異なり、火炎面とその近傍における化学種の成分濃度分布はＧと直接結びつけることはできない。通例、初期条件および境界条件は、未燃側ではＧ＝１、既燃側ではＧ＝０とする。このとき火炎面はＧ＝０．５となる。もしＧを反応進行度ｃに相当するものと考えれば、Ｇは反応生成物の無次元濃度に相当する。これは均一予混合での、Ｆｌａｍｅｌｅｔの仮定が成り立つ単純予混合火炎の場合と相当する。
以上は、均一混合気による予混合燃焼の場合であるが、非均一混合の場合、フィルターをかけた燃料蒸気の混合分率輸送方程式を解くことが必要になる。混合分率輸送方程式は次式で与えられる。
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フィルターをかけたＧ方程式は
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となる。ここで、上式の右辺第１項は乱流火炎面伝播速度ＳＴを導入して以下のようにモデル化する。
2009191833.tif 000012
【００１３】Ｇの乱流拡散については、勾配拡散を仮定して次式で評価する。
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ここで係数ＳＣＧについては、経験値としてＳＣＧ＝０．２５を使用している。
【発明の効果】
【００１４】    混合分率輸送方程式から瞬時の等量比が計算出来、ＳＬの推計が可能となる。したがって、混合分率が空間的に存在する流れ場でもＧ方程式の計算が可能となることが本発明の効果である。このことは、混合分率が空間的に存在する燃焼器内の精密な燃焼場の予測を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】まず燃焼器内部の形状が与えられたとして、これを非構造格子により空間分割を行う。【００１６】圧縮性を導入した支配方程式を質量保存方程式と運動量方程式について数値的に解く。【００１７】同時に混合分率輸送方程式を解き、その結果から瞬時の等量比の空間分布を算出する。【００１８】求めた等量比を用いて燃焼速度ＳＬを求め、これを用いてＧ方程式を解く。燃焼器内部流れが準定常状態に至るまで処理を繰り返す。