可燃悬浮寺燃烧诱导激波可其加速过程研究

以铝粉为例，基于双流体模型，分别采用ＴＶＤ格式和ＭａｃＣｏｍａｃｋ格式计算气相和颗粒相流场，基于Ａｒｒｉｈｅｎｉｕｓ定律及管道壁面湍流ｋ－ε模型计算流场反应速度，对水平燃烧管内可燃悬浮粉尘在弱点火条件下激波的产生及加强过程进行了理论分析与数值模拟。研究发现，壁面湍流在火焰加速及燃烧诱导激波过程中起着关键作用，数值计算结果揭示了可燃悬浮粉尘云中压缩波到激波的转捩机制及气固两相流场参数的变化规律。计算     

湍流燃烧的双流体模型

本文扼要介绍湍流双流体模型的要点,提出运用该模型分析钝体后湍流予混燃烧区和管内火焰波传播的构想和理论模型,进行数值求解,计算结果合理。     

湍流燃烧的新二阶矩模型

本文针对湍流燃烧中模拟包括污染物生成的详细有限反应动力学的要求，用二阶矩封闭与简化概率密度的概念相结合的方法，提出了湍流燃烧的新二阶矩模型。此模型可兼顾适用于工程问题中的合理性和经济性。     

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.     

基于欧拉喷雾与火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型的PRF燃料喷雾燃烧模拟研究

在开源计算流体软件OpenFOAM环境下,将基于欧拉方法的Σ-Y喷雾模型与非稳态火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型相耦合,发展用于高温高压环境中液体燃料喷雾湍流燃烧高精度计算模型,分别对非燃烧和燃烧工况下的五种典型参比燃料(Primary Reference Fuel,PRF)的燃油喷射雾化与湍流燃烧过程开展数值研究。结果表明：该新型耦合模型能够准确的预测PRF燃料的喷雾和着火燃烧特性;所开发的重构数值喷雾纹影图像和燃烧OH^*图像处理方法能够很好地捕捉到试验的滞燃期、火焰浮起长度及喷雾火焰结构;研究揭示了不同比例的PRF燃料对喷雾及着火燃烧过程的影响特性,为替代燃料在发动机上的高效应用提供了理论指导。     

湍流两相流动及燃烧的统一关联矩封闭模型

湍流两相流动及燃烧的模拟中常用的各个子模型,如k-8气相湍流模型,Hinze-Tchen颗粒湍流模型及EBU-Arrhenius湍流燃烧模型等,不能正确地反映旋转流与浮力流的各向异性,颗粒气体的湍流相互作用及有限反应率与湍流间相互作用,这些模型在性质上的不同造成理论上不协调和数值解法及程序编制上的不便,本文按作者及其同事们多年的研究经验,把单相湍流代数应力模型的思路推广于有反应两相流中,用统一的关联矩封闭方法处理气相湍流,颗粒湍流及气相湍流燃烧,以便更合理而经济地解决实际工程问题。     

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。     

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。     

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。     

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.     

Mathematical combustion model of nanoaluminum-air suspension

This paper presents a combustion model of a nano-aluminum-air (nAl-air) suspension. The special feature of the model is performing a local mathematical model of the oxidant diffusion through an aluminum oxide layer on the particle surface taking into account the aluminum-oxidant reaction to simulate the combustion of nano-size aluminum (nAl) particles. The oxidation rate of the aluminum particles and the associated with this process the rate of heat release are determined from the solution of the local combustion problems for the entire set of nAl particles in the suspension. To obtain the suspension state parameters we solve the equation system, which includes the energy conservation equations for the gas and particles, the mass-conservation equation for the gas-dispersed mixture and the motion equations for the gas and particles controlling for the particle velocity lag. The model considers gas expansion and thus gas and particle motion. The developed model does not require setting the ignition temperature of nAl particles. The study provides the calculated propagation rate of the combustion front in the nAl-air suspension depending on the nAl mass concentration and on the initial temperature of the suspension.     

燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.     

燃尽风率对新型W火焰锅炉主燃区气固流动特性的影响

针对采用偏心旋流二次风燃烧技术的300 MWe旋流燃烧器W火焰炉,借助1/10冷模试验台,通过三维激光颗粒动态分析仪测量研究了不同燃尽风率下其主燃区内气固流动特性。随着燃尽风率减小,拱下回流区内回流速度不断增加,且回流区尺寸不断增大。随着燃尽风率由25%减小到10%,在分级分区域,颗粒的最大竖直速度由2 m/s增大到4 m/s.燃尽风率由20.3%减小到10%,拱下回流区内气固两相竖直脉动速度明显增大,气固两相湍流强度将不断增大.在乏气和分级风区域,燃尽风率15%下最大颗粒体积流率是燃尽风率20.3%的2至2.7倍,拱上气流下冲深度明显增加.随着燃尽风率减小,下冲颗粒开始折转向上的位置被推迟,下炉膛空间利用率将不断增加.     

极端条件两相界面流与反应流机理、模型与算法研究进展

清华大学喷雾燃烧与推进实验室长期专注于极高速、强可压和高瞬变等极端条件下的两相流和反应流前沿科学问题,并致力于应用基础研究成果解决航空航天动力与推进系统的关键技术难题。综述了实验室近些年在极端条件下两相流动和含化学反应流动物理机理、数理模型与数值算法等方面的研究进展。首先,介绍了实验室发展的耦合高瞬变相变过程的强可压缩气液两相界面流的数理模型和高精度数值方法,以及针对激波受气液（曲）界面约束情况下,描述非定常激波透射/反射（如波角、波强等物理量关系）的激波动力学分析方法。其次,基于上述模型、算法与分析方法,实验室研究了激波液滴相互作用、高速液滴撞击壁面等一系列问题,解析了上述高瞬变过程中复杂波系与界面的时空演化过程。以被激波或壁面冲击的液滴内流体空化初生为例,揭示了曲界面汇聚膨胀波诱导流体空化的机理,推导了预测空化初生位置的理论公式。最后,介绍了面向发动机燃烧室内的强可压缩两相喷雾反应流动,实验室开发了基于Euler-Lagrange框架的高性能数值仿真软件TURFsim,并成功用于真实复杂几何结构的航空发动机燃烧室和超声速燃烧室的数值模拟。以典型的超声速混合层流动数值模拟为例,总结了斜激波增强混合层混合特性的规律及其物理机理,获得了极限条件火核生成及火焰的传播模式与机理,详细分析了液雾弥散与蒸发、小激波和局部爆震波的时空演化特性,提出使用"第三Damk?hler数Da_Ⅲ"定量表征燃烧模式,应用该无量纲参数成功进行了局部准等容燃烧过程的辨识与演化分析。上述研究结果对于航空航天发动机燃烧室复杂物理过程的理解及工程设计具有重要价值。      

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。     

稠密可压缩气粒两相流动中的等熵声速计算建模及物理规律

气体相与颗粒相混合流场的声速研究, 由于具有重要的基础理论价值与广泛的工程应用背景, 逐渐受到人们重视. 针对稠密可压缩气粒两相流动, 综合考虑颗粒相所占空间体积以及颗粒间相互作用, 推导给出了新的等熵声速计算公式; 新公式包含了已有的纯气体、稀疏气粒两相流情形的计算公式作为其特例, 一方面验证了公式推导的正确性, 另一方面说明新公式更具有通用性; 分析了不同颗粒质量分数条件下的声速变化规律, 相应结果与普朗特的理论分析符合, 特别对于稠密气粒两相流动工况得到了一些新的物理认识; 开展了颗粒间相互作用建模参数的物理分析, 揭示了其对气粒两相流动声速的影响机理. 本文取得的成果为稠密可压缩气粒两相流动研究以及相关工程应用提供理论支撑.     

Studies on aluminum powder combustion in detonation environment

The combustion mechanism of aluminum particles in a detonation environment characterized by high temperature (in unit 10³ K), high pressure (in unit GPa), and high-speed motion (in units km/s) was studied, and a combustion model of the aluminum particles in detonation environment was established. Based on this model, a combustion control equation for aluminum particles in detonation environment was obtained. It can be seen from the control equation that the burning time of aluminum particle is mainly affected by the particle size, system temperature, and diffusion coefficient. The calculation result shows that a higher system temperature, larger diffusion coefficient, and smaller particle size lead to a faster burn rate and shorter burning time for aluminum particles. After considering the particle size distribution characteristics of aluminum powder, the application of the combustion control equation was extended from single aluminum particles to nonuniform aluminum powder, and the calculated time corresponding to the peak burn rate of aluminum powder was in good agreement with the experimental electrical conductivity results. This equation can quantitatively describe the combustion behavior of aluminum powder in different detonation environments and provides technical means for quantitative calculation of the aluminum powder combustion process in detonation environment.     

单纤光纤探针测量空泡份额的实验研究

1前言气（汽）液两相流广泛应用于工业过程中。空泡份额是气（汽）液两相流的重要参数，它与流场、压力、热流密度和流型等密切相关。由于目前的理论计算模型还有较大的局限性，因此实验测量是研究气（汽）液两相流空泡份额的最主要的研究手段。经过近几十年的研究，各国学者开发出了许多有价值的空泡份额测量方法，其中包括平均空泡份额测量方法和局部空泡份额测量方法，这些测量方法本身各有各的局限性和一定的针对性。本文研究水平管束间汽液两相流流动和沸腾传热特性，流道中加热管柬的存在对流体流动产生强烈的影响，使管束间汽液两相…     

多孔介质内受迫对流凝结时两相共存区的非达西模型

本文提出多孔介质内受迫对流凝结时两相共存区的二维非达西流模型。分析了蒸气在多孔介质内沿水平平板和填充国管内受迫对流凝结时两相共存区的厚度。假定局部平衡和暂先假设蒸气为理想气体，化简了能量方程。