混合分数PDF及其简化模型的大涡模拟研究

通过大涡模拟得到三维等密度平面射流中的混合分数的动态演化过程并统计其概率密度(PDF)的分布,对非预混燃烧雷诺时均模拟中常用的简化模型,包括β函数和截尾高斯函数,进行了定性和定量分析。混合分数的PDF分布在流场的不同区域上定性存在较大的区别,可以分为四类:追随型单峰分布、非追随型单峰分布、平板型分布和双峰分布。单峰追随型主要分布在湍流充分发展区,对不同的简化模型都有较好的适应性;单峰非追随型PDF通过β函数模拟可以得到很好的结果;平板型分布PDF,定性上难以模拟但定量模拟效果好;双峰分布主要分布于湍流外问歇性较大的区域,现有简化PDF模型难以得到满意的结果。     

基于FGM的湍流射流扩散火焰超大涡模拟

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较。结果表明本文发展的VLES-FGM方法可以较准确地预测出湍流射流扩散火焰中的非稳态燃烧过程,且VLES湍流模拟方法对于湍流燃烧问题具有较大的应用潜力。     

高温空气燃烧炉内湍流混合特性的数值研究

应用自行研发的三维流动、燃烧、传热和污染物NO_x湍流生成的数值模拟程序,对高温空气燃烧实验模型炉进行了湍流扩散燃烧混合特性的数值模拟.数值预报了燃烧室内气体燃料和空气的混合物分数及其湍流脉动的三维分布.数值研究结果表明:在一定的几何条件和气体动力学条件下,高温空气燃烧的湍流混合在更广泛的区域内以较小梯度的进行;混合物分数的脉动主要分布在燃烧区,这表明高温空气燃烧的火焰厚度更大,具有燃烧释热更趋均匀的特性.数值模拟结果与相关的实验结果有相同的规律.     

超音速氢气燃烧火焰结构特性的直接数值模拟

在课题组前期工作的基础上,对一马赫数为1.2的三维超音速氢气射流抬升火焰进行了直接数值模拟研究,其中空间离散采用波带优化的四阶WENO格式,时间积分采用带有TVD性质的三步三阶龙格库塔格式,边界条件采用了无反射特征边界条件,总的计算网格数达到9.75亿。结果表明:超音速射流氢气燃烧火焰可分为根部层流状的高温高热量释放率稳燃区、高度褶皱的湍流剧烈混合区和远场燃烧区。火焰自燃稳燃点出现在喷口附近的x/D=0.86处,对应着最易反应混合分数。在此下游,预混燃烧和扩散燃烧两种模式同时存在,其中在剧烈混合区和远场区火焰以扩散燃烧为主,但在火焰根部的局部区域预混燃烧热量释放率达到35%左右。     

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.     

颗粒层面敏感性分析在湍流预混火焰中的应用

以一个带值班火焰的甲烷-空气预混射流火焰(PPJB)为研究对象,对中心射流速度分别为50 m/s(PM1-50)与200 m/s(PM1-200)的两个火焰进行RANS-PDF模拟。利用颗粒层面敏感性分析方法,研究了IEM与EMST两种混合模型在湍流预混火焰中的特性,发现对于PM1-50火焰,尽管两种混合模型对组分平均值的预测非常相似,但却对应了两种燃烧模式,EMST对应火焰传播模式,而IEM对应自着火模式;对于PM1-200火焰,两种模型均对应火焰传播模式。通过比较敏感性系数的径向分布,发现对于PM1-50火焰,增强混合或反应强度都可以促进反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制。对于PM1-200火焰,在上游位置处,增强混合反而会抑制反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制;在下游位置处,化学反应是火焰的控制物理过程。     

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。     

湍流扩散火焰的非稳态火焰面模拟

采用稳态的和非稳态的火焰面模型同时对一个湍流甲烷射流扩散火焰进行了数值模拟,比较了两者对湍流平均火焰结构、活性自由基和污染物(氮氧化物)排放的模拟效果。速度场采用κ-ε模型计算,守恒标量混合物分数的分布通过其概率密度函数(PDF)输运方程的求解得到。稳态的火焰面结构由查询火焰面数据库得到,而非稳态的火焰面结构由火焰面方程和流场方程耦合求解来计算。采用详细的GRI—Mech 3.0机理描述甲烷的氧化和氮氧化物的形成。数值模拟结果和实验数据作了广泛的对比,验证了火焰面模型对湍流扩散燃烧的定量模拟能力。     

蒸发模型对乙醇湍流射流火焰模拟影响研究

航空发动机燃烧室高精度数值模拟需要合理的蒸发模型,目前蒸发模型对两相湍流燃烧模拟的影响定量研究不足。乙醇较其他燃料蒸发潜热大,对蒸发模型敏感。文章采用LES求解湍流、TPDF解决湍流和化学反应的相互作用,研究AbramzonSirignano(A-S)蒸发模型、Spalding蒸发模型和厚交换层(NC-TEL)蒸发模型对高雷诺数乙醇两相湍流射流火焰的数值模拟结果并与实验数据对比。定量分析不同蒸发模型对温度、混合物分数及液相分布等的规律性影响发现,A-S蒸发模型在射流中心区域与实验数据拟合较好,在其它区域表现欠佳;Spalding模型在x/d=10截面上模拟结果良好;NC-TEL蒸发模型在x/d>10截面及远离射流中心方向上的模拟结果表现最好。与其他模型相比,NC-TEL蒸发模型在液相速度上与实验数据相差最大为21.9%,表现最好。     

湍流预混火焰LES/FDF模拟中标量混合时间尺度建模

在实际应用中,精确模拟高湍流度预混火焰十分关键但极具挑战性。本文将被动标量混合时间尺度动态封闭方法与hybrid混合时间尺度模型结合,在湍流预混火焰LES/FDF模拟中提出一种新的标量混合时间尺度建模方法。该方法不需要人为选取混合模型参数C_M,且动态地考虑了由湍流和火焰结构分别引起的亚网格标量混合。对悉尼值班预混射流燃烧器高湍流度PM1-150火焰进行了LES/FDF模拟。结果表明,新模型显著改善了对整体燃烧进程的预测结果,正确地预测了局部熄火/再燃现象。进一步的结果显示,模型参数C_M明显大于在RANS框架下量级为1的常用取值,这表明该参数在不同框架下具有不同的物理内涵。     

高速数字全息测量乙醇喷雾火焰中液滴三维位置、粒径及蒸发率

喷雾蒸发燃烧的研究对指导发动机燃烧系统设计具有重要意义。本文搭建了高速数字全息系统,在线测量乙醇喷雾火焰中液滴的粒径、三维位置、速度及蒸发率。对喷雾火焰中的液滴进行了统计分析,得到液滴粒径及三维空间分布。燃烧喷雾场液滴的平均粒径为68μm;非燃烧火焰测试区液滴数量多且较密集,燃烧火焰测试区液滴数量少且稀疏.追踪单液滴并处理得到湍流火焰中液滴的运动轨迹及速度。通过研究粒径的平方D2随停留时间ts的变化,测得液滴平均蒸发率为-3.343×10-7 m2/s.     

湍流扩散燃烧的数值研究-PDF方法和火焰面模型的性能比较

采用标量概率密度函数(PDF)方法、稳态和非稳态火焰面模型三种方法对一个值班湍流CH_4/O_2/N_2射流扩散火焰(Sandia Flame D)进行数值计算,以比较不同燃烧模型的性能。PDF方法通过计算反应标量的PDF输运方程来得到标量分布,而火焰面模型只求解单标量混合物分数的PDF方程,组分和温度分布通过火焰面方程的求解或者火焰面数据库的插值得到。计算结果和实验数据对比表明PDF方法计算结果最好但计算量相当大,稳态火焰面模型则反之。综合而言,非稳态火焰面模型的预测结果相对稳态模型有了非常大的改进,而计算量仍然容易接受,非常适合工程应用。     

密度非均匀流场中冲击加载双模态界面失稳现象的数值模拟

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟的二维计算程序MVFT-2D,针对初始非均匀流场密度为高斯分布、马赫数Ma=1.27激波作用下的双模态界面失稳现象,进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明,处于非均匀流场中的双模态振幅耦合效应较弱,而且低密度区的初始大振幅界面扰动增长最快,高密度区的初始小振幅界面扰动增长最慢。通过进一步分析可知,在一定初始振幅范围内,非均匀流场低密度区的振幅增长率较高,混合区域更宽,湍动能较大,受初始振幅影响较大,导致该区域界面不稳定演化较快。其变化规律与均匀流场呈现相反趋势,说明非均匀流场界面不稳定性的发展规律与均匀流场存在较大差异。     

湍流对多孔介质内预混火焰影响的初步研究

当气流速度较大时,多孔介质内预混燃烧的模拟需要考虑湍流的影响,本文利用简化的k-ε双方程湍流反应流模型对多孔介质内的预混火焰进行了数值模拟.结果表明,湍流大大加强了气流的组分和能世扩散,计算得到的火焰传播速度、CO及NO的排放量都与实验值符合得比较好,与层流模型相比,湍流模型能够改善计算结果.     

预混湍流3D火焰面密度和燃料消耗率的估计

利用平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术测量了CH_4/air预混湍流火焰前锋面结构,通过图片处理得到了测量平面上的二维火焰面密度。基于不同的假设建立了三种不同模型,利用二维探测得到的火焰面信息来估计三维火焰面密度在测量面上的值,通过积分三维火焰面密度估计值得到燃烧系统的燃料消耗率。结果表明,预混湍流火焰前锋面为凹凸的褶皱结构,平面测量的二维火焰面密度明显低估了真实的火焰面密度,利用模型估计得到的3D火焰面密度对2D值有明显的改善。燃烧系统的燃料消耗率可以用来评估模型的可靠性,结果表明模型的误差都在40%以内。     

燃机预混燃烧混合特性实验及理论分析

贫预混燃烧中的混合问题对深入理解污染物排放机制至关重要。本文针对某一特定喷嘴进行混合特性实验测量,通过三维数值模拟与实验测量值进行比较,分析得出湍流施密特数对混合特性的影响,发现施密特数为0.5时数值模拟结果与实验值符合良好;随后依据实验值和三维数值模拟结果,并结合理论分析混合分数方差控制方程中扩散项和生成项所占比例,提出用于衡量燃机预混燃烧混合特性的一维混合模型。结果显示,该特定喷嘴的混合效果很好;混合分数方差控制方程中的扩散项和生成项所占比例不超过25%,一维模型能依据有限实验值较好地预测燃烧室中的混合不均匀度。     

H_2/N_2/O_2射流扩散火焰的直接数值模拟

直接数值模拟(DNS),大涡模拟(LES)与雷诺时均模拟(RANS)是数值模拟燃烧流动的三大主要方法,而射流扩散火焰在燃烧理论,实验研究与数值模拟中都扮演着十分重要的角色,本文采用完全可压缩的Naive-Stokes方程,对喷口直径为D=1 mm,Re=2000的射流扩散火焰进行了直接数值模拟.本文首先分析了冷态时H_2,O_2的混合,发现燃料与氧气在流向长度大于6D后的区域混合得十分充分.随后本文分析了燃烧后的统计特性,主要包括速度场,密度,温度以及主要组分与混合分数的分布,并将DNS结果与实验结果进行对比分析.     

甲烷-空气湍流预混V形火焰特性的数值模拟

应用RNG K-ε湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧速率模型,模拟了湍流预混V形火焰的起燃过程。数值模拟首先得出了圆柱形稳定杆后的卡门涡街,并进一步给出了火焰锋面在传播中的特征。在火焰点燃的初期,火焰的形状受到稳定杆尾流的卡门涡街的很大影响。随着火焰向前传播,涡街渐渐消失。火焰锋面的传播过程与差分干涉方法得到的实验测量值吻合较好。     

数值研究Sanida火焰D中辐射热的影响

为了考察湍流燃烧过程中的辐射热影响,数值模拟了Sanida火焰D,其中湍流流动采用多时间尺度(MTS)k-ε湍流模型模拟,燃烧过程采用概率密度函数(PDF)方法和拉格朗日火焰面模型(LFM)以及详细化学反应机理GRI3．0联合的方法模拟,辐射换热采用有限体积(FVM)联合关联k分布模型模拟。计算结果和实验数据的比较发现虽然相对于燃烧热,辐射热是一个小量,但是考虑了辐射热影响以后,模拟结果大有改进。针对该现象,我们给出的解释是由于在湍流燃烧过程中,湍流过程,燃烧过程以及辐射换热过程三者是强耦合的,湍流作用很可能会将辐射换热作用放大,因此,对于燃烧过程的详细数值模拟,建议考虑辐射换热的影响。     

钝体驻定燃烧器冷态和燃烧场的LES研究

本文采用LES结合FPV湍流燃烧模型数值模拟了钝体驻定火焰的冷态场和燃烧场,与实验数据进行比较,研究了火焰结构和流场特性,并分析了燃烧对流场的影响。结果表明,速度、温度和主要组分浓度的一阶和二阶统计值,均与实验值符合得较好。燃烧发生在当量混合物分数等值线处,先是沿回流区外边缘分布,然后逐渐向中心靠拢,最后在下游处类似于射流火焰。回流区前部当量混合面处的低标量耗散率和高温分布在钝体驻定火焰中起到了关键的作用。燃烧使气体发生膨胀,回流区变长,轴向平均速度和湍动能沿流向衰减速度降低,湍动能在内剪切层处的峰值降低。