预混湍流3D火焰面密度和燃料消耗率的估计

利用平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术测量了CH_4/air预混湍流火焰前锋面结构,通过图片处理得到了测量平面上的二维火焰面密度。基于不同的假设建立了三种不同模型,利用二维探测得到的火焰面信息来估计三维火焰面密度在测量面上的值,通过积分三维火焰面密度估计值得到燃烧系统的燃料消耗率。结果表明,预混湍流火焰前锋面为凹凸的褶皱结构,平面测量的二维火焰面密度明显低估了真实的火焰面密度,利用模型估计得到的3D火焰面密度对2D值有明显的改善。燃烧系统的燃料消耗率可以用来评估模型的可靠性,结果表明模型的误差都在40%以内。     

管道内甲烷/空气层流火焰向湍流转捩的微观特性研究

为揭示障碍物对火焰的加速特性,本文运用高速摄影技术和压力传感器分别对空管道和置障管道内甲烷/空气预混火焰的形状变化、火焰传播速度及升压特性进行了实验研究,利用Power-law火焰褶皱模型对管道内流场结构进行了大涡模拟分析。结果表明:空管道和置障管道内甲烷/空气预混火焰传播过程都经历了层流火焰向湍流的转变,且置障管道内的湍流强度明显高于空管道的;障碍物未对前期火焰传播过程产生影响,23ms之前,空管道和置障管道内火焰形态完全一致;障碍物能显著提高管道内的压力上升速率,相比于空管道,障碍物对管道内火焰传播速度提升501%;空管道内涡旋出现在管道的近壁侧,置障管道内涡旋出现在障碍物的背风侧,管道内出现的涡旋结构是火焰形态不断变化的根本原因;空管道湍流燃烧机制始终处于薄火焰区域,而置障管道内湍流火焰机制由薄火焰区域转变到破碎火焰区域;基于大涡模拟的Power-law火焰褶皱模型成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明该模型适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究.     

电场对稀燃预混钝体旋流火焰结构的影响

本文研究了开放空间内的直流电场对甲烷稀燃预混钝体旋流火焰结构的影响。施加电场后,火焰面向上游移动,火焰面之间的夹角增大。电场能够提高钝体旋流火焰中上部分的火焰面褶皱率,从而提高湍流火焰速度,但是对根部火焰面结构没有影响。电场对最大火焰面密度没有明显作用,而是通过提高火焰刷厚度提高湍流火焰速度。预混气当量比和燃烧器出口平均速度能够影响电场作用强度。当量比越低,出口平均速度越高,电场的作用越不明显。电场对钝体旋流火焰根部结构影响较弱,且在临近吹熄工况下电场流体动力学作用很弱,对钝体旋流火焰的稀燃吹熄极限没有明显影响。     

运用OH-PLIF方法探测预混火焰前锋结构

运用OH-PLIF方法探测了不同燃料系数和出口湍流度下甲烷/空气的锥形预混火焰的火焰前锋结构.实验结果表明,网格湍流是火焰根部产生皱折和不稳定性的重要因素,并且这种不稳定性会沿着火焰面向下游发展;而在火焰下游尤其是火焰顶部,流场中的低频拟序结构是形成大尺度皱折以及破碎火焰面的直接原因.相比于富燃料工况,贫预混火焰的火焰前锋更容易产生不稳定性,产生大尺度的皱折.导致这种皱折的不稳定性只与燃料系数有关,完全依赖于火焰自身的动力学而与来流特征无关.     

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。     

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。     

网格湍流对剪切层中预混火焰结构的影响

本文研究网格湍流对射流剪切层以及建立在其中的预混火焰的影响。利用热线风速仪测量射流的速度场,发现网格湍流使剪切层内湍流强度明显降低,抑制了低频速度脉动,同时增加了湍动能在小尺度脉动上的分配,使湍流更趋于各向同性,这表明网格湍流抑制了剪切层内的大涡和拟序结构。用细丝热电偶测量了火焰温度,结果显示网格湍流使火焰前峰的低频大幅摆动减少,小尺度皱褶增加,火焰区平均温度更高,说明网格湍流有利于剪切层中预混火焰的强化和稳定。     

稀甲烷/氢气预混湍流传播火焰实验研究

本文采用定容湍流燃烧弹获取了稀甲烷/氢气/空气在强湍流条件下的火焰发展历程,研究了湍流火焰在负马克斯坦数条件下的传播特性.结果表明,湍流火焰呈现自相似传播特性,即使在强湍流条件下,湍流传播火焰仍然会受到不稳定性的影响.并且随着马克斯坦数的减小,不稳定性对湍流传播火焰的影响增强。同时,本文获得一种新的湍流燃烧速度拟合公式,包含了负马克斯坦数条件下不稳定性对湍流燃烧速度的影响。     

湍流和预混火焰相互作用的实验研究

建立了湍流预混火焰实验系统并实现了驻定火焰。无条件示踪条件下的研究结果表明,火焰区的速度分布呈现 双峰分布,初步证实火焰区湍流度峰值的存在是由于火焰脉动导致速度测值分散,最终由统计得到表观湍流度的增大。条 件示踪测量结果表明,在火焰区反应物来流的湍流度与上游的测值并没有明显的变化,进一步证实了这一结论。     

高强度湍流预混火焰NO生成特性的研究

本文采用直接数值模拟方法对不同湍流强度下预混CH_4/H_2/air平面火焰进行了计算,并对湍流火焰中NO的生成规律进行了研究。采用了28组分268步反应的详细化学反应机理。研究表明高Karlovitz数下,湍流微团能穿透火焰面并存在于内反应区中。在强拉伸作用下,局部燃烧热释率达到层流火焰峰值的1.8倍。湍流作用下湍流燃烧速率显著提高,而NO的总生成速率增加不明显。高湍流强度下由于快速型NO的生成率的显著减小,湍流火焰中NO的总生成速率降低。     

湍流预混火焰点火与传播特性研究

可燃预混气的点火与传播过程是发动机燃烧领域最重要的课题之一,尤其是湍流与化学反应的相互作用对预混气点火和火焰传播的影响机理有待进一步研究。本文利用定压球形火焰研究了氢气/氧气/氩气(Le1)在可燃极限条件(当量比0.3)下湍流对点火与火焰传播过程的影响,研究表明,在该工况下,湍流有助于可燃气点火过程,火焰传播过程中,由于湍流的影响,局部拉伸率大于0的区域火焰传播增快,局部拉伸率小于0的区域火焰传播受到抑制,甚至出现局部熄火。     

基于正交PLIF技术来评估2D火焰图像在反映锥形火焰3D结构方面的有效性（英文）

通过对平面激光诱导荧光(PLIF)图像进行分析,可以获得湍流火焰中的火焰面密度(Σ)、火焰刷厚度和湍流燃烧速度等关键参数,通过二维火焰图像及火焰参数可建立三维火焰模型。但目前二维PLIF图像能否精确反映三维火焰结构尚不明晰。该研究用正交PLIF技术测量了甲烷/空气预混湍流火焰横截面(垂直于火焰传播方向)和纵截面(平行于火焰传播方向)上的二维OH分布,然后通过对OH-PLIF图像的分析计算了火焰两截面的Σ,并分别比较了不同燃烧器出口速度、火焰不同位置和不同燃空当量比条件下,火焰两截面的Σ的差别。实验结果表明,在相同条件下,火焰纵截面的Σ均比火焰横截面的Σ偏小,其差值大小与燃烧器出口速度,火焰位置和燃空当量比相关。这一现象说明,最常采用的二维PLIF技术,在精确反映三维火焰结构时具有一定的局限性。     

预混火焰拉伸和曲率效率的物理分析

湍流燃烧的基本火焰结构是拉伸的曲面涡管;拉伸流场中的管形火焰模拟了湍流燃烧的细微结构。本文对平面预混火焰、拉伸预混火焰和管形拉伸预混火焰进行了质量、能量和组分的守恒分析。通过对比这几种火焰,揭示了火焰拉伸效果是通过优先扩散改变火焰温度和熄火极限;而火焰曲率通过增强或削弱这种优先扩散效果来影响火焰温度,影响的大小和火焰厚度与火焰半径的比值呈正比。     

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.     

湍流燃烧自适应求解技术在低排放燃烧室计算中的应用

基于各向异性非结构网格生成技术, 开发了面向复杂几何和复杂湍流燃烧问题的自适应求解算法, 并进行了程序代码的可靠性验证工作, 展示了各向异性网格自适应算法在降低问题求解规模、提高火焰面和流场计算精度等方面的优势.应用该自适应求解技术准确捕捉到了一维预混层流火焰、二维对冲火焰和三维本生灯湍流火焰的流场信息, 火焰面附近的温度、速度、组分等物理量与实验值吻合很好.对一款富油-快速混合-贫油(rich-burn, quick-mix, lean-burn, RQL)低排放发动机燃烧室进行了计算分析, 发现了燃烧室内的热声不稳定现象.      

湍流强旋流预混火焰大涡模拟研究

本文采用合成涡方法生成湍流进口条件,对非受限强旋流甲烷/空气贫燃预混火焰进行了大涡模拟研究。模拟结果和实验以及DNS数据符合良好。基于此模拟方法,本文对甲烷火焰掺混氢气和水蒸气,进行了比较研究。研究发现,掺混氢气提高了火焰抗拉伸灭火能力,火焰在外剪切层强湍流作用下形成较厚火焰刷。掺混水蒸气,火焰降温明显,流场轴向速度加速较小,形成较大的当地旋流数。因而,相比于掺混氢气,其回流区更强、更宽。相比于掺混水蒸气,流场轴向速度加速较大的掺氢火焰,其轴向脉动在更强的Kelvin-Helmholtz不稳定性作用下,下游剪切层双峰结构得到了保持并增强。     

湍流预混火焰传播速度的分形模型研究

本文利用激光层析技术和数字图像处理技术,在对Ｒｅｄ＝４３３５～１１１００范围内的Ｂｕｎｓｅｎ式湍流预混火焰热图像序列进行分形分析的基础上,提出了一种基于分形理论的湍流预混火焰传播速度模型,该模型将小尺度涡团在火焰锋面的强化湍流扩散效应归结为对锋面结构的改变上。结果表明：利用该模型预测的火焰传播速度与试验结果基本吻合。     

层流预混气体多棱火焰燃烧现象的分析

在一定条件下,层流预混气体燃烧过程中可清晰地观察到多棱火焰现象。本文从燃料浓度、温度对燃烧速度、气流速度的影响出发,推导出了火焰面变化随空气消耗系数的关系式,并得出了形成多棱火焰现象的条件为:Kx<0。用该式判断的丁烷层流预混气体燃烧的多棱火焰区与实验结果基本吻合。     

甲烷层流和湍流预混火焰OH^*和CH^*的化学发光特性

化学发光能够对火焰结构和燃烧过程进行良好的表征,但利用化学发光对湍流火焰进行测量的研究相对较少。为了更深入地研究和发展湍流燃烧理论,设计了伴燃射流燃烧器,通过ICCD相机和相应滤波片获取了OH^*和CH^*的化学发光图像,对甲烷/空气层流和湍流预混火焰的化学发光特性进行了研究,并利用分布高度、峰值位置、强反应区占比、峰值等参数对不同速度和当量比时的OH^*和CH^*进行表征。结果表明,层流时OH^*和CH^*的分布明显不同,而湍流的混合作用导致二者的分布范围趋向一致。随着当量比增大,不同速度下OH^*和CH^*的分布高度都呈单调递增趋势,但湍流的增长趋势要相对平缓;峰值位置的变化趋势与分布高度几乎一致,间接表明OH^*和CH^*的主导生成反应不变。强反应区占比在层流和湍流状态下的表现完全相反:从贫燃到富燃,层流中由大于0.1降低到0.05以下,而湍流中则由0.05上升到0.1以上,表明湍流对贫燃时的燃烧反应起抑制作用,在富燃时反而起促进作用。另外, OH^*和CH^*的峰值变化可以对火焰的流动状态进行判断,且CH^*尤为明显:随当量比增加,如果峰值先升后降,则可以认为火焰为层流状态;如果峰值单调递增,则是湍流状态。以速度和当量比为自变量,以OH^*和CH^*的峰值比为因变量,提出了不同速度条件下利用化学发光对当量比进行定量表征的统一关系式,解决了不同速度时需要分别进行拟合的问题,对后续的化学发光燃烧诊断研究具有重要意义。     

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明:当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.