乙醇-空气液雾两相流动和燃烧的大涡模拟

采用动态Smagorinsky亚网格应力模型,EBU(ED,eddy dissipation)燃烧模型和欧拉-拉氏两相流模型,对乙醇-空气湍流两相流动和燃烧进行了大涡模拟(LES).瞬态模拟结果与实验结果定性一致.在火焰瞬态结构的高温区域,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.乙醇液滴通过喷雾器喷出...     

湍流两相燃烧模拟的研究向何处去

尽管目前湍流两相燃烧(液雾和固体燃料燃烧)的数值模拟在国内外已经有雷诺平均模拟(RANS模拟)、大涡模拟(LES)和点源颗粒的直接数值模拟(Point-Particle DNS)的不少研究结果,但是仍然存在不少尚待解决的问题。本文就作者对目前研究状况的了解和认识,提出在基础研究和数值模拟方面的研究需求,供有关研究者参考。     

湍流燃烧二阶矩模型的大涡模拟验证

对美国Sandia国家实验室测量的甲烷-空气湍流射流火焰进行了三维大涡模拟(LES),其统计的时均量以及脉动量符合实验测量值,且和RANS代数二阶矩湍流燃烧模型模拟结果大致符合。LES统计得到的化学反应率系数脉动和甲烷浓度脉动的互关联与对应的时均量梯度的乘积分布趋势相同,大小幅值的位置也相对应,与二阶矩湍流燃烧模型的封闭假设相符,验证了二阶矩代数燃烧模型的合理性。     

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。     

MILD煤粉燃烧湍流与化学反应相互作用的数值分析

采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法分析了湍流与化学反应相互作用下MILD煤粉燃烧的微观特征。比较了涡耗散模型(EDM模型)和涡耗散概念模型(EDC模型)对MILD煤粉燃烧的影响,两者得到的速度场、温度场、烟气成分等结果与实验结果符合较好.在此基础上分析了MILD煤粉燃烧湍流和化学反应的微观特征尺度,发现采用EDC模型能更准确地反映MILD煤粉燃烧的微观特征,即山于强烈的烟气内部再循环导致的高湍流混合和烟气稀释后低氧浓度下的缓慢化学反应.     

湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展

本文对湍流燃烧大涡模拟(LES)的最近国内外研究进展,各种亚网格燃烧模型的主要特点和应用效果,包括作者所在的研究组取得的研究成果,进行了论述,指出了今后燃烧LES研究应当加强的方向。     

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。     

不同工况下旋流液雾燃烧的直接数值模拟

采用有限差分方法对不同工况下三维旋流液雾燃烧进行了直接数值模拟,其中液滴的跟踪在拉格朗日框架中进行,液滴的蒸发相变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,模拟中采用的模型燃烧器尽可能逼近真实的燃气轮机旋流燃烧器.结果发现,旋流液雾燃烧流动和火焰结构受到旋流方式和当量比的影响,流场中出现了反平行排列的...     

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.     

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。     

甲烷-空气同轴突扩湍流燃烧的新二阶矩模型的数值模拟

用本文作者最近提出的湍流燃烧新二阶矩模型对无旋和有族情况下的轴对称甲烷-空气湍流燃烧进行了数值模拟,并将其结果和ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ模型和原来的二阶矩模型等湍流燃烧模型的模拟结果以及文献中实验结果进行了比较,对不同的模型进行了评价,结果表明新二阶矩模型较其它模型更合理。     

Large-eddy simulation of MILD combustion using partially stirred reactor approach

Subgrid-scale (SGS) parameterization and method for calculating filtered reaction rate are critical components of an accurate large-eddy simulation (LES) of turbulent flames. In this study, we integrate gradient-type structural SGS models with a partially stirred reactor approach by using detailed chemical kinetics to simulate a turbulent methane/hydrogen jet flame under moderate or intense low-oxygen dilution (MILD) conditions. The study examines two oxygen dilution levels. The framework is assessed through a systematic and comprehensive comparison of temperature, and mass fractions of major and minor species with experimental data and other reference simulation results. Overall, the statistics of the combustion field show excellent agreement with measurements at different axial locations, and a significant improvement compared to some previous simulations. It suggests that the proposed nonlinear LES framework is able to accurately model MILD combustion with reasonable computational cost.     

湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法及应用

通过"湍流涡团尺度"与"边界层反应尺度"的关联,建立了湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法。该方法能够预报湍流脉动宏观规律对静止颗粒边界层内气相反应(如挥发分火焰、CO火焰)的影响。将该方法用于煤粉旋流燃烧数值模拟中,结果显示:与完全忽略边界层气相反应的单膜模型相比,跨尺度模拟的预报结果与Lockwood实验数据有更好的符合。     

贴体坐标系下模型加力室的大涡模拟

本文利用贴体网格对带V形槽稳定器模型加力燃烧室素流化学反应流流动进行大涡模拟的研究。采用区域法生成模型加力燃烧室的二维贴体网格,并采用多区域耦合法进行区域之间的数据传递,求解加力室整体流场。采用k方程亚网格尺度模型和亚网格EBU燃烧模型分别估算其亚网格紊流粘性和化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量,并用交错网格下SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程,壁面函数处理固壁边界条件。计算结果显示了稳定器后面的回流区气流结构,所得的热态流场模拟结果与实验比较吻合,表明采用贴体网格对模型加力燃烧室进行大涡模拟能真实反映流体流动及燃烧过程。     

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。     

多孔焦炭燃烧特性的模型构建及数值模拟

焦炭燃烧在固体含碳燃料燃烧进程中占有主导地位,常规燃烧温度范围内(1273～1700 K)的焦炭燃烧过程研究及其模型化对于燃烧设备的设计和优化具有重要的意义。本文根据实际炉内的炭粒燃烧情况,将焦炭燃烧的模拟过程分解成几个环节分别进行研究,即热解后焦炭的初始化学反应活性、焦炭燃烧中化学活性变化、外部氧的扩散对于内孔燃烧的影响,并给出了相关过程的模型计算式。通过与已有管式炉实验结果的比较,新模型的预测结果能较好地反映焦炭的真实燃烧状况。与目前常用的焦炭燃烧模型相比,本模型具备一定的燃料通用性,计算负荷低且能保持相当的预测精度,可耦合到大型燃烧计算程序之中,更为有效地指导实际燃烧设备的优化设计。     

计算奇异摄动法在燃烧反应系统简化中的应用

采用计算奇异摄动法构造典型燃烧反应系统的简化化学动力模型,基于燃烧反应控制方程寻找理想基向量,借助所得理想基向量实现快慢反应模态间的解耦,并给出参与性指数、原子团指针和重要性指数等关键参数,进而构造快模态状态方程和简化化学动力模型.典型CO-CH₄-Air混合燃烧反应系统的计算结果表明,由计算奇异摄动法得到的简化燃烧反应系统是原燃烧反应系统很好的近似.     

Simulation of Combustion Field with Lattice Boltzmann Method

Turbulent combustion is ubiquitously used in practical combustion devices. However, even chemically non-reacting turbulent flows are complex phenomena, and chemical reactions make the problem even more complicated. Due to the limitation of the computational costs, conventional numerical methods are impractical in carrying out direct 3D numerical simulations at high Reynolds numbers with detailed chemistry. Recently, the lattice Boltzmann method has emerged as an efficient alternative for numerical simulation of complex flows. Compared with conventional methods, the lattice Boltzmann scheme is simple and easy for parallel computing. In this study, we present a lattice Boltzmann model for simulation of combustion, which includes reaction, diffusion, and convection. We assume the chemical reaction does not affect the flow field. Flow, temperature, and concentration fields are decoupled and solved separately. As a preliminary simulation, we study the so-called counter-flow laminar flame. The particular flow geometry has two opposed uniform combustible jets which form a stagnation flow. The results are compared with those obtained from solving Navier–Stokes equations.     

燃料敏感性对内燃机部分预混燃烧(PPC)光谱特性的影响研究

在一台光学发动机上,利用火焰高速成像技术和自发光光谱分析法,研究了燃料敏感性(S)为0和6时对发动机缸内火焰发展和燃烧发光光谱的影响。试验过程中,通过改变喷油时刻 (SOI=-25,-15和-5°CA ATDC) 使燃烧模式从部分预混燃烧过渡到传统柴油燃烧模式。通过使用正庚烷、异辛烷、乙醇混合燃料来改变燃料敏感性。结果表明,在PPC模式下(-25°CA ATDC),火焰发展过程是从近壁面区域开始着火,而后向燃烧室中心发展,即存在类似火焰传播过程,同时在燃烧室下部未燃区域也形成新的着火自燃点。敏感性对燃烧相位影响较大,对缸内燃烧火焰发展历程影响较小;高敏感性燃料OH和CH带状光谱出现的时刻推迟,表明高敏感性燃料高温反应过程推迟,且光谱强度更低,表明碳烟辐射强度减弱。在PPC到CDC之间的过渡区域(-15°CA ATDC),燃烧火焰发光更亮,燃烧反应速率比-25°CA ATDC时刻的反应速率更快。高、低敏感性燃料对缸压放热率的影响规律与-25°CA ATDC相近,此时的燃烧反应更剧烈,放热率更高,碳烟出现时刻更早。该喷油时刻下的光谱强度高于PPC模式下的光谱强度,说明此时的CO氧化反应与碳烟辐射更强。在CDC模式下(-5°CA ATDC),由于使用的燃料活性较低,燃烧放热时刻过于推迟,放热量很小,缸内燃烧压力低,因此燃料敏感性对缸压和放热率的影响不明显,但从燃烧着火图像中可以看到高敏感性燃料的火焰出现时刻较低敏感性燃料推迟。低敏感性燃料的燃烧初期蓝色火焰首先出现在燃烧室中心,着火火焰出现时刻更早,之后蓝色火焰从中心向周围扩散,呈现火焰传播为主导的燃烧过程;燃烧后期,局部混合气过浓区导致亮黄色火焰面积逐渐增大并向周围扩散。高敏感性燃料的火焰发展趋势与低敏感性燃料类似,黄色火焰的亮度与面积更小。尽管高、低敏感性燃料的OH和CH带状光谱的出现时间相近,但高敏感性燃料的光谱强度仍更低。综合分析,火焰发展结构与自发光光谱特征主要受喷油时刻的影响,燃料的敏感性主要影响着火时刻和火焰自发光光谱强度,且高敏感性燃料的光谱强度更低。