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。     

有旋和无旋气固两相湍流的不同结构

了解有旋和无旋突扩气粒两相详细湍流结构对控制燃料-空气混合、火焰稳定以及燃烧污染物生成很重要.周力行等曾经对其中的两相时平均流场和湍流特性进行过雷诺平均的RANS模拟和测量的研究,但是BANS模拟不能给出详细的两相湍流的瞬态结构.本文建立了二阶矩两相亚网格尺度应力模型,对有旋和无旋同轴突扩气粒两相流动进行了双流体大涡模...     

气粒流动两相亚网格尺度动能模型的大涡模拟

目前多数两相流动的大涡模拟采用单相流动的亚网格尺度应力模型,没有考虑或者没有完整地考虑两相亚网格尺度应力间的相互作用。本文提出一种两相亚网格尺度动能模型(LES-kkp),可以完整地考虑其相互作用。将该模型用于突扩气粒两相流动的大涡模拟,同时进行统一二阶矩(USM)两相湍流模型的雷诺平均模拟(RANS)。瞬态结果显示出两相流动中的气体形成了典型的拟序结构,但颗粒流动结构完全不同于气体的,没有形成涡结构。LES-kkp和RANS-USM模拟结果实验检验表明,对时间平均速度两种模拟给出结果与实验结果吻合良好,即RANS-USM得到了LES-kkp的验证。对两相均方根脉动速度和两相脉动速度关联量,LES-k-kp的模拟结果优于RANS-USM的模拟结果。     

气泡-液体闭式多股射流的大涡模拟研究

采用气泡-液体两相流动的欧拉-拉氏大涡模拟,研究了矩形通道内多股射流形成的气泡-液体两相湍流流动,得到了气液两相湍流瞬态结构,产生和发展过程。研究结果发现气泡和液体都有瞬态大涡结构,气泡脉动比液体的强。大涡模拟统计结果给出了有无气泡两种情况下的液体湍流脉动速度均方根值分布。瞬态和统计结果都表明,气泡增大了液体湍流,液体湍流来源于其自身的剪切产生和气泡的作用。这与二阶矩模型模拟结果定性一致。     

湍流两相流动有燃烧颗粒相概率密度函数输运方程理论

由有燃烧的湍流气粒两相流动的瞬态方程和统计力学概率密度函数概念出发,推导了有燃烧颗粒相的质量－动量－能量联合概率密度函数（ＰＤＦ）输运方程,并对方程中条件期望项用梯度模拟概念进行了模拟封闭。封闭后的ＰＤＦ方程可作为建立颗粒拟流体模型方程和封闭二阶矩模型的基础,也可以通过Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ 法求解用以直接计算颗粒雷诺应力和湍流动能,以便和二阶 矩模型的结果相对照,改善二阶矩模型。     

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。     

泡沫陶瓷内火焰分布的ECT可视化研究

本文运用电容层析成像(ECT)方法,以非侵入的方式,对多孔介质燃烧中的火焰分布进行可视化测量.针对高孔隙率泡沫陶瓷(8PPI)的孔隙结构特点,提出了一种"十字架形"几何结构模型,用丁泡沫型多孔介质内甲烷-空气预混燃烧的二维数值模拟.ECT成像结果与数值模拟结果吻合,显示了两个不同学科信息的融合性和互验性.     

炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型

本文首次用双流体一轨道（连续介质－轨道ＣＴ）模型对大尺寸四角喷燃炉内气粒两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。该模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程,对各子模型用ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型,ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ湍流燃烧模型,煤粉颗粒的水分蒸发,热解挥发和焦炭燃烧的扩散－动力模型,ＤＯ（离散坐标）辐射模型。采用了将坐标扭转一定角度的方法减小入口射流和网格斜交造成的伪扩散。编制了ＬＥＡＧＡＰ－ＦＵＲＮＡＣＥ－３程序,分别对冷态模型炉内两相流动和大尺寸炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟,并与颗粒轨道（ＳＴ）模型的模拟结果进行了对照。采用ＰＤＰＡ对冷态模型炉内气粒两相流场进行了测量。冷态两相流动的模拟与实验结果的对比表明ＣＴ模型的模拟结果和实验符合较好,ＳＴ模型所得颗粒浓度分布和实验山入较大。热态模拟的结果给出了两相速度,气相温度,组分浓度和壁面热流分布。模拟结果定性合理。模拟结果显示在出口处由于气流旋转,有一局部高温区存在。     

旋流对煤粉燃烧NO排放影响的数值模拟

本文用基于HCN释放的简化Solomon模型的NO生成湍流反应的统一二阶矩代数模型(AUSM)和煤粉燃烧的双流体模型,对不同旋流数下煤粉燃烧器内两相流动,煤粉燃烧和NO生成进行了数值模拟。模拟结果和文献中实验结果符合很好。模拟结果指出,随着旋流数的增加,NO的排放先减少后增加,燃尽率先增加后减小,和气体燃烧中得到的规律类似。     

双头部燃烧室两相燃烧流场数值研究

本文在贴体坐标系下对双头部火焰简内三维两相紊流燃烧过程进行数值模拟,采用代数雷诺应力模型模拟紊流粘性、EBU-二阶矩模型模拟燃烧反应速率、六通量辐射模型考虑热辐射对燃烧流场及火焰筒壁温的影响.分别运用颗粒轨道模型与颗粒随机轨道模型研究燃烧室内气液两相流动与燃烧过程,将所得出口温度分布与实验结果进行比较,均较为相符.     

6110柴油机喷雾过程的多维瞬态数值模拟研究

将柴油机全体燃烧室部件(气缸盖-气缸套-活塞组)作为一个耦合体,在对耦合体进行传热数值模拟的基础上得到喷雾过程缸内计算的壁面边界条件.利用大型通用CFD软件STAR-CD及ES-ICE,在进气压缩过程多维瞬态数值模拟基础上,对6110柴油机喷雾过程进行多维瞬态数值模拟研究.通过计算,着重分析缸内两相流动,燃油喷射、雾化以及喷雾粒子的空间分布等.     

旋流燃烧NO生成的USM湍流反应模型

用统一二阶矩(USM)湍流反应模型对不同旋流数下甲烷-空气旋流燃烧NO生成进行了数值模拟,并和EBU-Arrhenius(E-A)燃烧模型对燃烧的模拟结果和简化PDF湍流反应模型对NO生成的模拟结果以及相应的实验结果进行对比。结果表明,USM模型显著地优于E-A模型和简化PDF模型。E-A模型不能合理地模拟有限反应动力学,而简化PDF模型用两个单变量PDF的乘积代替联合PDF,大大地低估了NO湍流反应率。USM模型预报结果和实验结果符合最好。     

等离子体对含硼两相流扩散燃烧特性的影响

为排除来流空气对含硼燃气的掺混效应, 研究等离子体对含硼富燃料推进剂在补燃室二次燃烧过程的影响, 建立了含硼两相流平行进气扩散燃烧物理模型. 利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室二次燃烧的火焰图像, 分析了该物理模型的扩散燃烧特性和硼颗粒的二次点火距离. 采用硼颗粒的King点火模型、有限速度/涡耗散模型、颗粒轨道模型和RNG k-ε模型以及等离子体模型, 模拟了一定条件下等离子体对含硼两相流扩散燃烧过程的影响. 结果表明, 依据含硼燃气二次燃烧图像得到的硼颗粒二次点火距离, 与数值模拟结果基本一致, 保证了该物理模型和计算方法的可靠性. 含硼两相流经过等离子体区域后, 硼颗粒在运动轨迹上颗粒温度明显增加, 颗粒直径明显减小, B₂O₃的质量分数分布区域明显扩增, 70%的硼颗粒在到达补燃室2/3尺寸前燃烧效率已达到100%, 硼颗粒充分燃烧释放出更多热量导致中心流线区域温度增加近1/2, 可见等离子体可以明显强化含硼两相流的燃烧过程, 提高硼颗粒的燃烧效率.     

双大涡模拟方法模拟提升管内气固两相流动

基于Smagorinsky涡黏模型以及颗粒动理学理论,建立了气固两相流双大涡模拟模型。考虑大涡模拟中过滤尺度的影响,给出颗粒相亚格子压力和热传导系数计算模型。考虑颗粒聚团对两相作用的影响,给出了考虑颗粒聚团作用的气固两相多尺度曳力系数模型。数值模拟了提升管内气固两相流动特性,合理地预测出了提升管内气固两相环-核流动结构。模拟结果与Knowlton等实测结果相吻合。     

CH4/O2/N2层流火焰瞬态响应特性数值分析

用数值分析方法研究CH₄/O₂/N₂层流扩散火焰的瞬态响应特性.采用详细的GRI-Mech 3.0机理(包含53种组分,325个基元反应)描述CH₄氧化和NO_x生成.首先比较火焰面稳态结构的计算结果和实验数据,以验证数值方法的可靠性.用台阶跃变的火焰拉伸率来模拟瞬态流场对火焰面局部结构的影响,给出了火焰面结构(温度、组分浓度)的瞬态响应曲线,分析了火焰面的响应特性.着重探讨了不同拉伸率跃变幅度对响应特性的影响,发现火焰面的响应对于拉伸率正向跃变和负向跃变并不对称,而是相反,且在小的拉伸率跃变范围内火焰面响应时间和拉伸率跃变幅度近似成反比关系.另外,温度的平均响应时间远大于一个典型湍流燃烧场的流动时间尺度,说明火焰面非稳态效应对于湍流燃烧数值模拟有重要意义.     

二阶矩湍流燃烧模型的考虑浮力的DNS及LES检验

本文用谱方法对考虑浮力的三维槽道湍流反应流动进行了直接模拟,用直接模拟统计结果对二阶矩亚网格湍流燃烧模型(SOM-SGS)进行了检验,结果显示SOM-SGS模型具有合理性.进一步用SOM-SGS模型成功预报了甲烷-空气射流火焰,其统计结果显示了RANS模拟中代数SOM燃烧模型的合理性.     

凝固前沿和气泡相互作用的大密度比格子玻尔兹曼方法模拟

建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)模型. 该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型, 结合采用不同时间步长的方法, 实现密度比达800以上的气液两相流模拟. 为了对模型进行验证, 模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系, 其结果满足Laplace定律. 将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellular automaton, CA)和有限差分法(FDM)相耦合, 用LBM模拟气液两相流, 用CA方法模拟固相生长, 用有限差分法模拟温度场, 采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究. 结果表明, 绝热气泡的存在影响了温度场分布, 使得凝固前沿接近气泡时, 液-固界面凸起, 在不同的固相生长速度条件下, 出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况, 模拟结果与实验结果符合良好. 关键词： 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 凝固 气泡     

加力燃烧室热态流场的大涡模拟

本文采用k方程亚网格尺度模型对带V形槽稳定器模型加力燃烧室紊流化学反应流进行大涡模拟的研究,采用亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量。数值计算表明,在稳定器后面开始在短时间内出现涡的交替脱落和逐渐消失过程,然后形成稳定的回流区,数值计算结果与实验比较吻合,表明可用大涡模拟研究实际燃烧室瞬态燃烧流场。     

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。     

方截面鼓泡床气液两相瞬态数值研究

在双流体模型中引入界面浓度输运方程,利用界面浓度和气泡平均Sauter直径模化各相间作用力。引入一附加 湍动能输运方程模化气泡诱导引起的液相湍流。利用该模型对方截面鼓泡床内气液两相流进行三维瞬态数值模拟。计算结 果表明该模型能较好得模拟方截面鼓泡床内气液两相流时均和瞬态流动特征。