甲醇喷雾湍流反应流的JPDF数值模拟

喷雾湍流燃烧过程中,液滴、湍流和化学反应之间强烈耦合,物理化学机理非常复杂。本文将速度-标量-频率联合概率密度函数JPDF输运方程方法应用于两相喷雾湍流反应流问题,利用火焰面模型解耦流动和化学反应动力学的耦合关系,建立起相应的数值计算模型。采用Monte-Carlo数值计算方法,针对澳大利亚悉尼大学Masri等人以甲醇为燃料所进行的湍流喷雾燃烧值班火焰这一试验进行了数值模拟,通过与Fluent下的计算结果及试验结果的对比分析,验证了本文所建模型的准确性。     

初始条件对喷雾火焰着火影响的大涡模拟研究

本文基于LES-LEM模拟方法开展了不同环境温度、压力条件下正庚烷喷雾火焰的大涡模拟研究。首先,通过与ECN喷雾燃烧基础数据库(Engine Combustion Network,ECN)中的实验结果进行对比,发现LE-LEM方法预测的着火延迟期和火焰浮升长度与实验值非常符合。因此,基于此分析了不同发动机工况下喷雾燃烧的着火和燃烧过程。结果显示高温火核首先出现在浓混合气区域,同时,喷雾火焰中同时存在预混和非预混燃烧。计算结果显示燃烧能够使喷雾火焰加速向下游发展,但高环境压力又能抑制喷雾火焰向下游运动。     

冷起动工况柴油/煤油燃料喷雾燃烧特性研究

本文利用流动式定容燃烧弹结合米散射法、直拍法对低温冷起动工况下柴油/煤油混合燃料喷雾燃烧特性进行可视化测量。结果表明:柴油/煤油混合燃料液相喷雾贯穿距离随着煤油掺混比、温度和密度的增加呈现减小趋势。液相喷雾锥角随着煤油掺混比和环境密度的增加分别呈现减小和增大的趋势,而对环境温度的变化不敏感。不同环境温度、密度下,混合燃料滞燃期、火焰浮起长度、蓝色火焰占总体火焰强度比例随着煤油掺混比的增加呈现先减小后增加的变化趋势。此外,环境温度和密度的增加均使得着火滞燃期显著缩短。     

HCCI工况下氨氢混合物燃烧的直接数值模拟

本文利用直接数值模拟方法对均质压燃(HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition)工况下氨氢混合物的着火和燃烧特性进行了研究。结果表明,着火首先从局部孤立区域处发生,随后发展到整个计算区域;最高燃烧温度和热释率随着掺氢比的增加而增加;通过与零维计算结果对比,发现湍流和热分层使得氨氢混合物着火提前。利用直接数值模拟数据计算了反应锋面的位移速度,并据此分析了自着火和火焰传播这两种燃烧模式。发现在低掺氢比的情况下,燃烧模式以自着火为主;而在高掺氢比的情况下,燃烧模式以火焰传播为主。     

非等温液滴蒸发燃烧的传热传质特性

对无重力、相对静止热环境中碳氢燃料单液滴的蒸发燃烧过程,建立了非等温液滴蒸发-火焰面燃烧耦合模型。考虑了液滴内导热、液滴表面蒸发、火焰面化学反应以及气相区对流传热传质的瞬态耦合作用。将整个耦合系统分解为液滴、火焰面内气相区、火焰面外气相区三个相对独立的计算域,采用固定计算域法与随动坐标系,结合耦合界面条件,进行数值求解。分析了液滴蒸发燃烧过程中的传热传质特性以及环境压力的影响。结果表明,液滴蒸发与燃烧强烈耦合,过程后期的蒸发和火焰面动态特性与初期明显不同。     

旋流喷雾燃烧的直接数值模拟

对三维旋流喷雾燃烧进行了初步的直接数值模拟,其中液滴蒸发采用无限热传导蒸发模型描述,气相燃烧采用自适应单步反应机理,液滴的跟踪在拉格朗日框架中进行。模拟结果表明,喷雾燃烧的火焰结构十分复杂,仅采用传统的非预混燃烧模型是不够的。在蒸发和燃烧共存并存在强烈相互作用的区域,组分与混合物份额之间存在着复杂的关联,这给发展精确的湍流喷雾燃烧模型带来了挑战。     

高温环境下柴油喷雾的燃烧特性

在高增压柴油机及陶瓷隔热柴油机的研制中，往往因柴油机燃烧室内压缩终了的温度参数较高（一般＞９００Ｋ），燃烧过程恶化，而导致达不到预期的功率、燃油经济性与排放指标。本文概括了我们在定容燃烧装置中模拟高强化柴油机燃烧室内的高温高压条件下，对柴油喷雾燃烧过程的研究结果。利用计算机对高速摄影图象处理并结合热力学分析计算，定量地考察了温度条件对着火，火焰发展和空气卷吸过程的影响，根据实验结果总结了柴油喷雾在高温条件下燃烧过程恶化的重要原因。     

抬举湍流H2/N2射流火焰的PDF模拟

采用数值目的研究了一个高温燃烧产物环境中的抬举湍流H₂/N₂射流火焰,对火焰的自然和抬举特性进行了研究.采用标量联合概率密度函数(PDF)目的处理详细的化学动力学过程,而湍流流场采用一个多时间尺度(MTS)k-ε湍流模型计算.计算中结合了一套描述氢气氧化的详细化学反应动力学机理.计算结果和实验数据进行了对比,表明所采用的模型可以精确的模拟火焰抬举高度和自然的过程.     

着火油罐燃烧过程预测的通用模型

本文根据油罐火灾的燃烧特点,从基本的传热规律和燃烧机理出发,以油品表面热反馈的能量平衡为前提,并利用化工热力学方法计算了火焰的平均温度,通过迭代方法,并结合相关的实验数据和结果,提出了油罐火灾燃烧过程的通用模型,该模型可适用于多种碳氢类燃料。本文以汽油为例,通过计算可以得到着火油罐的多项燃烧特性,包括燃烧速度、平均火焰温度等,是获取油罐周围热辐射规律的基础和前提,计算结果可为火灾现场战术的决策以及预案的制订提供依据。     

基于二阶矩燃烧模型的液雾燃烧大涡模拟

采用亚网格动能(k方程)应力模型、二阶矩(SOM)燃烧模型和欧拉拉氏两相流模型,对乙醇-空气液雾燃烧进行了大涡模拟(LES)。瞬态结果显示:在火焰的高温区域,旋涡强度较大;在高温区边缘附近存在的拟序结构有脱落的趋势。在燃烧装置的燃料进口附近,近喷嘴中心区域,大量液滴聚集在条状湍流拟序结构的周围。LES模拟的统计结果给出的温度分布与实验结果吻合较好。说明SOM燃烧模型适用于液雾两相湍流燃烧研究,计算结果经过和实验数据对比发现,LES-SOM燃烧模型优于RANS-PDF及LES-FA计算结果。数值计算结果与实验结果的误差主要是由于采用统观一步反应机理引起的,表明燃烧模型还有待进一步改进。     

镁颗粒群着火和燃烧过程数值模拟

建立了一维非稳态球形镁颗粒群的着火燃烧模型, 数值模拟镁颗粒群的着火和燃烧过程, 研究表明, 颗粒群着火首先发生在颗粒群边界, 随后初始的燃烧火焰会分离为两个, 一个向颗粒群内部传播, 一个向外部传播, 最终内部火焰消失, 外部火焰维持并控制着整个颗粒群的燃烧; 内火焰向颗粒群内部传播过程中, 传播速度会逐渐加快, 且火焰温度值呈逐渐降低趋势. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火燃烧的影响. 随颗粒浓度的增大, 颗粒群着火时间略有增长, 但火焰传播速度更快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也更大. 颗粒群初温越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度也会加快, 但燃烧稳定时火焰球尺寸基本不变. 环境温度对颗粒群着火燃烧的影响较复杂, 环境温度越高, 颗粒群着火时间越短, 但火焰传播速度却越慢, 燃烧稳定时火焰球尺寸变化很小. 颗粒粒径和辐射源温度对颗粒群着火燃烧的影响较显著, 颗粒粒径越小或辐射源温度越高, 则颗粒群着火时间越短, 火焰传播速度越快, 燃烧稳定时火焰球尺寸也越大. 数值模拟结果与文献中试验结果相一致. 关键词： 粉末燃料冲压发动机 镁着火燃烧 颗粒群     

燃料空气供给条件对热声不稳定燃烧影响的研究

对Solar低排放预混燃烧系统的燃烧稳定性进行了数值研究.应用非定常N-S方程、雷诺应力紊流模型及涡团耗散燃烧模型,数值模拟了该类型燃烧器在不同的燃料空气供给条件下的气流流动特性和压力振荡特性,并给出了不稳定发生时压力和速度振荡的幅值和频率.根据供给条件的不同,燃烧可以是稳定的或是不稳定的,取决于燃料到火焰前沿的迟滞时间.采用CFD方法,可精确地获得燃料到火焰前沿的迟滞时间,证实了所采用的模型能够精确预测不稳定燃烧的出现及振荡特性.通过调整燃料与空气的供给条件,可使振荡激励或阻尼.     

一维湍流模型对He平面羽流和CH4/H2/N2射流火焰的数值模拟

本文采用一维湍流模型（ODT）对氦气平面羽流和CH₄/H₂/N₂射流火焰进行数值模拟,和前人的实验结果进行定量地对比。结果表明,ODT模型能够准确地预测平面羽流基本特征,湍流涡团的分布同流场拉伸率之间具有密切的关系,涡团强度的分布能够直观地表明当地的湍流强度。ODT模型埘CH₄/H₂/N₂瞬态火焰的模拟定性反应了火焰特性及其与湍流作用的规律,对温度-混合分数的预测值和实测值进行比较,发现甲烷火焰燃烧在富燃料侧并未达到平衡状态,因而基元反应对火焰特性的预测具有重要作用。     

钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.     

超临界环境条件对碳氢燃料液滴燃烧特性的影响

利用开发的液滴燃烧模型,研究了环境压力、温度以及液滴初始温度对液滴燃烧特性的影响。结果表明:在燃料的临界压力下液滴的燃烧寿命最短。随着环境压力的升高,着火延迟逐渐缩短,火焰半径逐渐减小,并且火焰温度在快速上升期的上升速度逐渐减慢。随着环境温度的升高,液滴寿命和着火延迟均逐渐变短,火焰半径逐渐增大。随着液滴初始温度的升高,液滴寿命和着火延迟均线性减小,液滴初始温度只会使液滴的燃烧过程整体提前或延后。     

湍流燃烧二阶矩模型的研究进展

湍流燃烧模型在燃烧过程数值模拟中十分重要。商业软件中仍然应用的简单模型,如EBU和预设PDF模型,常常不能很好地模拟有限反应动力学。目前通行的湍流燃烧模型,如层流小火焰模型和条件矩模型,只对一定的火焰类型和火焰结构的效果较好。PDF方程模型更通用,但计算量太大,用于大涡模拟更是如此。另一类是统计矩模型,即基于湍流模型的思路,用雷诺展开和取平均,封闭未知项的二阶矩模型,但是遇到了高度非线性的温度指数函数的困难。不同研究者采取了不同的近似处理,都低估了时平均反应率。作者彻底放弃各种近似方法,构建了终版的二阶矩模型,用于不同的单相和两相燃烧的雷诺平均模拟和大涡模拟,得到了实验验证和直接数值模拟的验证。     

燃烧管内悬浮铝粉燃烧爆炸过程的研究

 铝粉的燃烧与加速机理一直是相关部门研究的热点。为了深入研究其在受限空间内的燃烧与传播特性,基于双流体模型、湍流k-ε模型以及铝粉燃烧等模型,选用SIMPLE格式,对大型卧式燃烧管内铝粉颗粒与空气的两相悬浮流湍流燃烧加速转爆炸现象进行了数值研究,得到了铝粉火焰在管内的燃烧传播过程中管内各相关参数的详细变化情况,并与相关的实验结果吻合。     

基于PDF-LES模型的凹腔支板火焰稳定器模拟

航空发动机加力燃烧室有进口气体温度高、速度高、湍流度大的特点,是极为典型的湍流与燃烧相互耦合的工况。大涡模拟(LES)兼具高精度与合理计算量两个特点,概率密度函数模型(PDF)适用于湍流与复杂化学反应相互耦合的问题。本文在基于PDF-LES的Aero Engine Combustor Simulation Code(AECSC)程序基础上,对凹腔支板火焰稳定器进行数值模拟。使用气相版本对有无凹腔支板结构分别进行三个速度入口条件下的甲烷湍流燃烧模拟,并用两相版本对带凹腔支板结构进行设计工况下煤油喷雾的模拟。结果表明:凹腔结构的火焰稳定性要优于无凹腔结构;凹腔支板结构对于液相燃料的控制能力较气相更强。     

DME/LPG混合燃料HCCI燃烧模拟

根据碳氢燃料化学反应系统具有层次结构的特性,本文通过分析二甲醚(DME)与液化石油气(LPG)的详细化学反应机理,构建了反映DME／LPG混合燃料均质压燃(HCCI)燃烧的详细化学反应机理．采用该机理应用单区燃烧模型对DME／LPG混合燃料HCCI燃烧的化学反应动力学过程进行了数值计算．计算结果与试验结果对比表明,所构建的DME／LPG混合燃料氧化的详细化学反应机理能够准确预测DME／LPG混合燃料的两阶段放热特性,对低温和高温着火始点的预测很好;但高温反应过程预测欠佳,高温反应机理需要改进．     

应用自适应网格方法研究着火和燃烧反应流动

介绍了一种对计算着火和燃烧反应流动问题较为有效的自适应网格方法。将该方法与任意拉格朗日-欧拉数值方法相结合,研究了燃料液滴的着火和燃烧问题。给出了液滴着火和燃烧过程中主要物理参数的时空分布,揭示了过程的基本特征。