预燃室中煤粉颗粒弥散的研究

本文对工程中常见的气固燃烧反应两相流中颗粒弥散现象进行了数值模拟,主要用随机轨道法考虑了气相湍流脉动、Magnus力和煤粉燃烧过程中挥发份的喷射对颗粒运动和弥散的影响、同时给出了有益的计算结果。     

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。     

甲醇喷雾湍流反应流的JPDF数值模拟

喷雾湍流燃烧过程中,液滴、湍流和化学反应之间强烈耦合,物理化学机理非常复杂。本文将速度-标量-频率联合概率密度函数JPDF输运方程方法应用于两相喷雾湍流反应流问题,利用火焰面模型解耦流动和化学反应动力学的耦合关系,建立起相应的数值计算模型。采用Monte-Carlo数值计算方法,针对澳大利亚悉尼大学Masri等人以甲醇为燃料所进行的湍流喷雾燃烧值班火焰这一试验进行了数值模拟,通过与Fluent下的计算结果及试验结果的对比分析,验证了本文所建模型的准确性。     

火焰喷雾热解合成ZrO2纳米颗粒的大涡–群平衡Monte Carlo(LES-PBMC)模拟

本文基于OpenFoam平台开发的非线性大涡模拟–部分搅拌反应器(NLES-PaSR)模型，对FSP湍流喷雾燃烧火焰进行LES模拟，并首次发展了高效的多维群平衡蒙特卡洛(PBMC)方法，对FSP过程中ZrO2纳米颗粒的时空演化过程进行描述。结果表明，FSP是一个剧烈的强湍流燃烧过程，在周围稳燃火焰的影响下，其火焰温度具有两个峰值，且三种动力学事件的发生速率均在第一个温度峰值(HAB=0.012 m)达到最大。随着颗粒在火焰中的迁移及停留时间的增加，颗粒粒径逐渐增大。三种动力学事件之间的相互竞争关系以及颗粒在流场中的迁移行为，共同影响着火焰中颗粒尺寸、形态的演变。     

旋流喷雾燃烧的直接数值模拟

对三维旋流喷雾燃烧进行了初步的直接数值模拟,其中液滴蒸发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,液滴的跟踪在拉格朗日框架中进行。模拟结果表明,喷雾燃烧的火焰结构十分复杂,仅采用传统的非预混燃烧模型是不够的。在蒸发和燃烧共存并存在强烈相互作用的区域,组分与混合物份额之间存在着复杂的关联,这给发展精确的湍流喷雾燃烧模型带来了挑战。     

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。     

研究稀疏气固两相流中颗粒运动的薄片状脉冲激光摄影法

一、引言 工程实践中的许多问题都与气固两相流动现象有关。如大气粉尘污染问题、固体物料的气力输送及煤粉燃烧问题等等。在这些情况中,两相流动的规律都比较复杂,而且各具特殊性。例如煤粉燃烧问题,空气-煤粉中颗粒的大小、形状变化很大,流动情况很复杂(如湍流、不稳定)。对于这些气固两相流动问题,目前通常是采用实验方法来研究。然     

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。     

燃烧管内悬浮铝粉燃烧爆炸过程的研究

 铝粉的燃烧与加速机理一直是相关部门研究的热点。为了深入研究其在受限空间内的燃烧与传播特性，基于双流体模型、湍流k-ε模型以及铝粉燃烧等模型，选用SIMPLE格式，对大型卧式燃烧管内铝粉颗粒与空气的两相悬浮流湍流燃烧加速转爆炸现象进行了数值研究，得到了铝粉火焰在管内的燃烧传播过程中管内各相关参数的详细变化情况，并与相关的实验结果吻合。     

辐射模型和弥散效应对多孔介质内燃烧影响的数值模拟

本文根据气固两相局部非热平衡假设,建立了甲烷/空气预混气在惰性多孔介质内的一维层流燃烧数学模型。分别采用附加导热、Rossland模型和二通量法模型求解固体能量方程中的辐射源项,研究了热辐射模型和弥散效应对多孔介质内燃烧火焰结构的影响。结果表明,多孔固体表面辐射的影响不可忽略,辐射模型对火焰温度的预测影响显著,而弥散效应对气体温度的分布及反应热影响则较小。     

稠密气固流动二阶矩摩擦应力模型和模拟

基于统一二阶矩两相湍流应力模型和稠密颗粒动力学理论,建立了欧拉-欧拉双流体二阶矩颗粒摩擦应力模型。模型充分反映各向异性的气固两相相间雷诺应力相互作用,并引入有效颗粒弹性恢复系数,考虑了因颗粒表面不光滑产生的摩擦力对湍流流动结构和颗粒弥散特性的影响,对于下降管的计算结果与实验吻合较好。因颗粒摩擦产生能量耗散降低了颗粒温度和导致颗粒雷诺应力再分布。在入口和出口区域因颗粒碰撞频率较高而产生的能量耗散对流动结构影响明显。     

气体-颗粒掺混的数值模拟研究

通过数值模拟方法研究了圆管内湍流气体和压力旋流雾化喷嘴产生的液滴群的掺混规律.定义了掺混度、不均匀浓度因子和无量纲颗粒浓度定量评价掺混水平,根据这些特征参数,获得了掺混度曲线和截面等浓度线.分析了不同水气比、喷嘴雾化角度和颗粒直径情况下颗粒群对横向气流的影响以及气相对颗粒群掺混过程的作用.结果表明:颗粒群的加入使气相产生了尺度不同的涡,促进了气相湍流发展;近喷雾区,大尺度的涡造成了颗粒局部浓度较高,掺混度较低,但是经过较短的距离就能充分掺混,此时掺混度值较高,同时初始的喷雾形态和壁面处的较大速度梯度使得颗粒存在趋壁现象;水气比1:1、中等雾化角度90°和较大的颗粒更有利于掺混.     

气液两相旋流燃烧的时均统计特性

通过直接数值模拟的方法研究了旋流燃烧器中三维正庚烷喷雾燃烧,为实际喷雾蒸发和燃烧问题提供参考。气相燃烧模型采用自适应单步反应机理,液相采用拉格朗日方法跟踪,液滴蒸发采用无限传导蒸发模型。本文研究了气相和液相时均特性.结果发现燃烧和中心回流区(CRZ)之间有相互促进作用;同向旋流导致更强的中心回流区(CRZ),但是会有更小的外部回流区(ORZ);富预混燃烧会有更高的化学反应速率,并且蒸发冷却的影响更为明显;湍流入流会导致更高的液滴散布和更小的液滴直径。     

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。     

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。     

强旋流燃烧中固体燃料沉积特性的模型化

在强旋流燃烧中,固体颗粒向壁面的沉积趋势急剧增强,高温下甚至发生附壁燃烧和熔渣流动等复杂现象。考虑到现有理论模型的缺陷,本文首先构建了相关的颗粒沉积、附壁燃烧和熔渣流动的子模型,并考察了在煤和木粉不同掺混比下,固体颗粒的沉积特性以及渣层的熔融特性。研究结果表明,在同样粒径时,木粉的沉积能力比煤粉弱很多,形成飞灰排放的趋势更加明显;与纯煤工况相比,适量木粉的添加,不但可以提高燃烧性能,同时也可以促使颗粒和沉积表面的快速熔化,有利于形成连续稳定的液渣层。本文的模型和数值模拟研究能够定量地反映出强旋流燃烧时的颗粒沉积规律,对于燃烧工程设计有一定的参考价值。     

固体推进剂侵蚀燃烧计算显函分析

一、前言 侵蚀燃烧作为一个对固体火箭发动机设计水平密切相关的重要课题,国内外经30年的努力,至今还没能完全掌握它的细节。代表性的理论是L-R公式和K.K.Kuo的化学反应湍流边界层理论等。为更清楚地了解侵蚀燃烧规律性,本文对燃烧表面附近边界层的气流状态,根据已有理论定量作了分析,并由宏观传热理论导出计算侵蚀燃烧速度的理论显式。     

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。     

用雷诺应力模型计算旋风分离器中气-固两相流动

针对分离器内部的复杂的三维强旋转、气-固两相湍流运动,采用雷诺应力模型(SSG),利用贴体网格技术,模拟计算了分离器内部流动,并将计算结果与实验数据进行分析、比较。分离器内的固体颗粒运动采用涉及湍流扩散影响的随机轨道模型和确定轨道模型,在流场计算的基础上,模拟了不同直径的颗粒在分离器内的运动规律及颗粒分离效率,并同理论和实验得到的数据进行了比较。