湍流分层燃烧的直接数值模拟和小火焰模型研究

湍流分层燃烧广泛应用于工业燃烧装置,但是目前还比较缺乏适用于湍流分层燃烧的高精度数值模型。本文利用直接数值模拟数据库,对高Karlovitz数分层射流火焰的小火焰模型表现进行了先验性评估。考虑了两种小火焰模型,一种是基于自由传播层流预混火焰的小火焰模型M1,另一种是基于分层对冲小火焰的小火焰模型M2。研究发现M1和M2在c-Z空间的结果与直接数值模拟在定性上是一致的。在物理空间,M2对过程变量反应速率脉动值的预测结果要优于M1.     

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.     

H2/air旋流预混燃烧的流场特性和火焰结构分析

本文采用完全可压缩的N-S方程,对当量比为1.0的H₂/air旋流预混火焰进行了直接数值模拟研究。氢气和空气的化学反应采用9种组分19步的详细机理。模拟结果表明,强旋流流场中存在回流区,碗形旋流火焰稳定在回流区的外围。在火焰面上沿火焰法向提取了局部火焰结构,将局部湍流火焰结构与层流预混火焰的火焰结构进行了比较,发现局部湍流火焰比层流预混火焰更薄,燃烧强度更高。     

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.     

基于AdapChem方法的甲烷预混和非预混燃烧数值计算

采用自适应化学理论AdapChem的方法对两种CH4/空气部分预混、非预混火焰的燃烧过程开展了数值模拟工作.计算得到了两种燃烧工况下,几种重要的主量成分、非主量成分的浓度值;同时对反应放热和HCO之间的潜在关系进行了分析.通过对两种工况下模拟结果的比较,AdapChem方法合理预报了甲烷预混和非预混燃烧过程的各种物理化学特性,并达到了节约计算时间的目的.     

两种亚网格燃烧模型的对比研究

为详细比较动态增厚火焰模型和火焰锋面密度模型的性能,本文分别采用这两种亚网格燃烧模型对工业燃气轮机PRECCINSTA的模型燃烧室内湍流预混火焰进行了大涡模拟研究。计算结果与实验数据吻合良好,且这两种模型预测得到的速度、温度和主要组分的统计数据也非常接近。然而对于CO的分布两者的预测结果差异明显,文中对此进行了简要分析。研究还表明本文的计算结果与实验数据的吻合度与文献中报道的前期结果相比有所提高。     

煤粉射流火焰的DNS研究

本文用直接数值模拟(DNS)的方法对煤粉气固两相射流燃烧进行了研究。文章介绍了DNS的数值计算方法,包括气相、颗粒相的控制方程以及煤粉燃烧模型。分析了煤粉射流燃烧火焰的结构形态,发现火焰区域中存在三种火焰形态,通过火焰特性的统计研究,发现虽然火焰形态不同,但是其燃烧特性相似,非预混火焰占主导地位。分析火焰释热量,发现上游处单颗粒燃烧释热量较小,条带状释热量占24%,对下游稳定火焰的形成至关重要。     

激波与火焰作用的实验与理论研究

采用高速摄影技术拍摄了等当量比的甲烷/空气预混气环境下,火焰与激波相互作用的时序照片,对实验结果进行了分析讨论。使用基于带化学反应的N-S方程和热力学数据,利用改进的VLS格式,对等当量比条件下甲烷/空气预混气中激波与火焰的相互作用进行了数值模拟,并利用光学知识,进行了计算光学的数值模拟。实验结果与数值计算结果进行了比较,两者符合得较好。     

空气横掠波纹管束流动与传热性能的数值模拟

本文应用层流模型和湍流模型的数值模拟方法,对空气外掠8排波纹管束时的流动与传热性能进行了研究,并将数值结果与实验结果进行了对比,结果表明:层流模型数值模拟结果较湍流更接近于实验值。同时,对两种模型的数值模拟结果拟合出了Nu-Re的关联式。     

蒸发和着火模型对甲醇射流火焰模拟的影响

为了提高甲醇射流火焰数值模拟的精度,本文首先通过实验得到了甲醇蒸发率与温度的关系曲线,形成新的两相传质关系;其次应用基于Frank-Kamentsky近似的液滴着火模型和新的蒸发模型对某甲醇空气射流火焰进行了数值模拟,将应用已有模型、仅应用蒸发模型、同时应用蒸发模型和着火模型(混合模型)的预报结果与实验结果对比检验。结果表明,应用蒸发模型的预报结果比已有模型的模拟结果更接近实验值,混合模型的预报结果最好。     

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。     

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。     

基于FGM的旋流预混燃烧室超大涡模拟

针对航空发动机燃烧室等复杂工程中的预混燃烧问题发展高精度、高效的数值预测方法,本研究发展了火焰面生成流型(FGM)详细化学反应建表方法结合超大涡模拟方法(VLES),对工程中的GE LM6000预混旋流燃烧室燃烧开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了比较。计算结果表明,VLES-FGM方法可以较准确地预测出旋流预混燃烧室内的流场及温度场分布。为了进一步模拟航空发动机真实的燃烧工况,对原始单头部燃烧室使用周期性边界条件来类比全环燃烧室。计算结果表明,VLES-FGM方法计算得到的周期性燃烧室流场回流区相比较固壁边界燃烧室较小,并且固壁边界燃烧室温度场具有明显的颈部结构,燃烧室下游的高温区分布更为均匀。本文计算结果表明基于FGM燃烧模型的自适应湍流模拟方法VLES对于模拟复杂航空发动机相关的旋流预混燃烧具有很大的应用潜力。     

C6F12O对锂离子电池排出气体火焰的抑制效能研究

通过实验和数值模拟的方法研究了添加C_6F_(12)O对锂离子电池发生热失控后的排出气体/空气预混火焰的影响。在常温常压下,利用本生火焰装置测试了一定当量比范围的甲烷/空气和排出气/空气预混火焰在不同C_6F_(12)O添加量条件下的火焰速度。通过包含燃料燃烧和C_6F_(12)O热分解的动力学机理模型进行数值模拟并与实验测试的火焰速度进行比较,结果表明在C_6F_(12)O添加量较低的贫燃侧,层流火焰速度趋势具有良好的一致性。尽管燃料类型不同,C_6F_(12)O在化学当量以及富燃侧的抑制效能明显优于贫燃侧,并且相比于纯甲烷,C_6F_(12)O更适用于抑制排出气体/空气预混火焰。     

非预混旋流火焰中部熄火及重新稳燃机理研究

本文利用5 kHz同步PIV/OH-PLIF实验装置,结合大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,系统研究燃料中心喷射下非预混旋流火焰中部熄火及再次稳燃机理,对比了两种旋流器出口结构的影响.结果 表明,LES-PDF模型可以准确地捕捉到旋流流场分布及火焰形态,包括中部熄火及火焰重新稳定.相比于直燃道的结构,扩张燃道的存在引导了更宽的回流区,改善了中部熄火现象,两种结构对其下游的主火焰再次稳燃高度影响不大.中央燃气射流带来的高标量耗散率使得热损失变大,从而引起中部熄火.同时进一步促进了CH4与空气的预先混合及部分反应前置物(CH2O),为非预混旋流火焰在下游重新稳燃提供了有利条件.通过对火焰再次稳燃处OH反应项及扩散项的分析,发现反应项占据主导地位,部分预混火焰传播为再次稳燃的主要机理.     

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。     

大直径管道内预混气体爆燃火焰传播实验研究

为了深入掌握大直径管道内爆燃火焰传播特性,采用理论和实验方法对大直径管道内预混气体爆燃火焰传播过程进行了研究。通过对大直径管道内爆燃火焰传播过程简化后推导了爆燃火焰传播模型。在直径2.6 m、长11 m的管道内进行了不同体积预混气体以及双区域不同浓度预混气体爆燃实验,对爆燃火焰传播过程进行了测量。通过实验结果验证了所推导的大直径管道内爆燃火焰传播理论计算公式在变化规律和趋势上的正确性,并对实验结果进行了初步拟合,得到了典型条件下的大直径管道内爆燃火焰传播距离与时间关系式的系数值。     

层流拉伸非预混火焰影响因素的数值研究

采用简化机理(19个基元反应,14种组分)和半详细机理(79个基元反应,32种组分)对层流拉伸非预混火焰的结构进行了数值模拟,通过与实验数据的对比发现:在由当量混合的标量耗散率表征的火焰拉伸一定时,考虑不同分子扩散系数和不同的化学反应机理均对火焰面结构的准确模拟有着重要影响.此外计算了考虑热辐射时,随着当量混合的标量耗散率的改变而变化的每单位火焰面面积放热速率和燃烧场的最高温度,并分析了层流非预混火焰的熄火现象.     

氢气部分预混火焰瞬态响应及脉冲不稳定性研究

本文基于详细化学反应机理和输运性质,对氢气/空气部分预混火焰瞬态响应及脉冲不稳定性进行了数值分析.研究发现预混火焰区存在脉冲不稳定现象,振荡过程可形成极限环,此时火焰强度更依赖于O_2浓度,而对当地温度不敏感;扩散火焰区由于受到预混火焰区传热、传质影响,扩散火焰出现受迫振荡现象。研究结果表明增大拉伸率及当量比会抑制脉冲不稳定现象的发生,其原因是扩散火焰和预混火焰之间距离减小,具有更高温度的扩散火焰向预混火焰区导热增强,后者火焰强度增大,从而减小了Zeldovich数,抑制了不稳定现象的发生。     

堆积床内丙烷/空气预混燃烧的实验与数值研究

对惰性堆积床内丙烷/空气预混气体的燃烧过程进行了试验测量和数值研究.通过测量稳态燃烧时燃烧器内温度场,结合一维稳态层流模型的数值模拟,分析了堆积床内不同工作条件对火焰结构,燃烧稳定性和污染物排放的影响.同时对非稳态过程的燃烧波传播进行了简单的观测和分析.