当量比对预混燃烧影响的大涡模拟研究

本文对在突扩燃烧室内甲烷和空气的预混燃烧进行了大涡模拟(LES)研究,考虑预混燃料的当量比对燃烧室提供的动力及产生的污染物的影响．利用LES计算了不同当量比条件下燃烧室内湍流预混燃烧反应流场的温度、浓度、涡量和压力分布,最后对当量比0.5时B点和C点的温度和速度进行EMD分解,得到了温度场和速度场的各阶模态的平均周期．结果表明：随着当量比从0.5增加至0.7,燃烧反应趋于剧烈,燃烧室的最高温度提高了350K,平均压力从32.876 Pa增大到34.833Pa,燃烧产生的瞬态径向最高浓度从0.5%增加到0.95%．     

球形容器内气体的泄爆过程

为了得到球形容器内可燃气体的泄爆强度产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,从流体力学和化学反应动力学守恒出发,采用-湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧模型,利用SIMPLE算法对带泄爆导管的球形容器二维空间内甲烷-空气预混气体的泄爆过程内外场进行了数值计算,获得了气体燃烧过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,能够比较清晰地反映泄爆的整个过程。研究表明,燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流,传播得到了极大的加速,泄爆导管对于容器内的高压气体泄放有很大的约束作用。     

喷嘴结构对液氧煤油火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响

为了筛选高压补燃循环液氧煤油火箭发动机的喷嘴,在喷注单元低压高频燃烧不稳定性模拟实验系统上开展实验,研究了喷嘴结构对燃烧稳定性边界的影响。实验使用气态空气与氧气的混合物作为氧化剂,加热的煤油蒸汽作为燃料;喷嘴为全尺寸气液同轴直流离心式喷嘴,模拟燃烧室与真实燃烧室的固有声学频率相等。根据测量模拟燃烧室内的脉动压力区分大幅振荡、小幅振荡和稳定工作。研究结果表明,喷嘴长度、缩进室长度和入口节流嘴直径对高频燃烧不稳定性裕量有很大影响,并存在相对最佳值。     

基于液体碳氢燃料的旋转爆轰燃烧特性研究

为了探索液体碳氢燃料参与旋转爆轰所产生的不完全燃烧现象,采用守恒元与求解元方法,开展柱坐标系下的汽油/空气两相旋转爆轰燃烧室三维数值模拟研究,针对燃料喷注压力和反应物当量比对旋转爆轰流场结构及燃烧室性能的影响进行分析。分析结果表明:保持总当量比为1.00,随着燃料喷注压力的上升,燃烧室内燃料不均匀分布增强,产生局部富燃区,燃料在燃烧室未能完全反应,导致燃烧室燃料比冲下降;保持喷注压力不变,减小当量比,在贫燃工况下依然存在局部富燃区,导致燃烧室内出现不完全燃烧现象,降低燃烧室比冲性能。由此可知,反应物喷注方案对气液两相旋转爆轰的不完全燃烧有显著影响。     

不同构型和多点喷射对短环型燃烧室燃烧性能的影响

对短环形流燃烧室内有较强回流的湍流旋流流动进行了模拟,并从两个方面(燃烧室构型和多点喷射)对燃烧室性能的影响进行了分析。计算中采用Reynoldes应力湍流模型(RSM)、EBU-Arrheniue湍流燃烧模型和离散坐标辐射模型描述其燃烧流动,液相采用Lagrange法处理,气相采用SIMPLE法求解。研究表明:在燃料和空气总流量不变的情况下,燃烧室构型对燃烧室出口平均温度影响不大,对出口温度分布、燃烧室内空气流场有比较大的影响。喷嘴数目的改变对出口处的平均温度和平均速度影响不大,但是对出口截面处的温度分布影响比较大,在局部范围可能产生温度比较高的热斑。     

甲烷/空气预混气体火焰的传播特征

利用高速纹影摄像等技术探讨了密闭管道内不同当量比的甲烷/空气预混气体火焰的传播特征。结果表明,当甲烷含量接近当量值时,预混气体火焰传播中会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程,逐渐由层流燃烧转变成湍流燃烧,并形成Tulip火焰结构;当甲烷含量偏离当量值一定程度时,预混火焰呈现出典型的层流燃烧特征,不会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程。Tulip火焰结构形成于火焰传播速度迅速降低的区间里,且只有当减速阶段的最大加速度的绝对值大于某一数值时才能形成;Tulip火焰结构是预混火焰由层流燃烧向湍流燃烧转变的一个中间过程。     

基于动态分区概念的高超声速燃烧大涡模拟

本文基于动态分区概念开展了亿级网格的高马赫数全尺寸超燃冲压发动机内外流耦合一体化改进延迟分离涡(IDDES)模拟研究. 研究建立了包括动态分区火焰面湍流燃烧模型(DZFM)、分区自适应化学(Z-DAC)和分区并行自适应建表(Z-ISAT)的完整动态分区燃烧模拟框架, 并通过1.15亿网格的马赫数12 REST标准高超声速燃烧室模型初步验证了分区模拟框架的保真性. DZFM通过分区解耦的思想既准确表征了当地湍流化学交互作用关系, 又有效提升了整场湍流燃烧的计算效率. Z-DAC和Z-ISAT通过在分区框架内对化学反应机理进行动态实时简化和建表查询, 可进一步提升当前分区内化学反应的求解效率. 基于1.25和1.4亿网格动态分区框架对比分析了马赫数10条件下中心支板(strut)和壁面撑挡型(pylon)两类构型氢气高超声速燃烧室特性. 支板或撑挡结构均诱发了明显的边界层分离和头部回流区, 由此两种燃烧室均出现了较长区域的喷注点前部燃烧现象. 基于Borghi图的数值分析表明当前氢气高超声速燃烧室中广泛存在扩散控制为主的火焰面模式, 效率提升的瓶颈在于高效增混. 壁面撑挡燃烧室具有较高的穿透深度和近场混合效率, 因而燃烧效率高于净推力准则80%, 相应的比冲1234 s也远高于中心支板燃烧室的437 s. 分区自适应化学方法在将近一半的计算域上降低了反应求解计算代价, 特别是在无燃料区反应机理的简化幅度更加明显. 相比与传统的有限速率PaSR模型, DZFM模型实现了高达11倍的加速比.      

富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展

燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章综述了近20年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性实验及数值模拟的研究进展,介绍了包含燃料氢含量、来流温度及工作压力等参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡和微混燃烧器等对回火特性影响的研究成果,现有研究表明,边界层内火焰传播速度超过来流速度是造成回火的主要因素,控制来流速度、来流温度、改变局部燃料浓度可以克服或者减缓回火.根据目前的研究现状和发展动态,对未来的研究方向进行了展望.     

超声速化学反应流动中燃料预喷研究述评

研制基于超声速燃烧的高效吸气式推进装置(运行Mach数在3.5以上)需要寻求改善混合效率的有效机制, 这对于采用常规碳氢燃料(特别是可以增加密度的液体燃料)的装置尤为重要. 延长混合时间的一种途径是在飞行器燃料室的上游喷入部分燃料. 壁面喷射一直是超声速气动力学最具挑战性的课题, 这里包括使比冲损失最小、改善燃料-空气的混合、减少入口段/燃烧室的相互作用以及增进火焰稳定性等. 综述了超声速入口段或燃烧室的隔离器中液体燃料(个别情况下为气体燃料)喷射的研究进展. 在这些研究中, 燃料都是从后掠型细支架尾迹中的壁面处喷射出来的, 动压比很低($q_{\rm {jet}}/q_{\rm {air}}$=0.6$\sim$1.5). 它们涉及入口段和燃烧室的隔离器中单个支架/喷射器的几何结构及其组合方式、各种各样的喷射条件、不同的引射剂, 并且评估了这些因素对于燃料羽流喷散、比冲损失以及混合效率的影响. 述评引用了46篇参考文献.     

NO_x生成湍流反应率数值模拟的进展

利用计算机数值模拟来优选燃烧器或炉内降低氮氧化物的各种措施,如空气分级,燃料分级（再燃烧）,烟气再循环,煤和生物质混烧等,预测其效果,受到国际上越来越大的重视．如何建立合理而经济的数学模型,是其中的关键问题之一．根据近年来国际上发表的不同研究者的研究结果,对湍流燃烧氮氧化物生成湍流反应率数值模拟的研究现状进行了评述,并且讨论了有待解决的问题和今后的发展方向．     

NO_x生成湍流反应率数值模拟的进展

利用计算机数值模拟来优选燃烧器或炉内降低氮氧化物的各种措施,如空气分级,燃料分级（再燃烧）,烟气再循环,煤和生物质混烧等,预测其效果,受到国际上越来越大的重视．如何建立合理而经济的数学模型,是其中的关键问题之一．根据近年来国际上发表的不同研究者的研究结果,对湍流燃烧氮氧化物生成湍流反应率数值模拟的研究现状进行了评述,并且讨论了有待解决的问题和今后的发展方向．      

超燃冲压发动机燃烧模态转换试验研究

在模拟飞行高度为25 km、来流马赫数为6的情况下,采用试验研究的方法对超燃冲压发动机燃烧模态转换进行了直连式试验。根据燃烧室壁面压力分布和一维模型分析表明,燃料喷射位置和当量比的动态改变,实现了燃烧室内燃烧模态的动态转换。不同燃料喷射位置切换顺序比较表明,燃烧室内燃烧状态的改变受燃料分布所决定,但是燃烧室自身具有一定的抗波动能力。     

微小尺度下氢气预混燃烧的实验研究

对内径为1.66mm的不锈钢管燃烧室的氢气预混燃烧实验进行了描述，采用 红外测温仪测量了燃烧室壁面的温度场分布，获得了不同燃烧热功率下的运行界限．在突扩 段内高温回流区的作用下，在带有5mm长突扩段的燃烧室内可以实现完全预混燃 烧，最高运行界限可达1.415．由于较高的进气速度和较大的燃烧室壁面散热，在不带突扩 段的不锈钢管内无法实现完全预混燃烧．结果表明突扩段对微小尺度燃烧具有稳定火焰、拓 宽燃烧运行界限的作用．通过对火焰形状和结构的观察，结合突扩段燃烧流场的分析，合理 解释了燃烧室壁面温度场随过量空气系数的变化规律．     

泄爆过程中二次爆炸的动力学机理研究

在容积为0.00814m3的柱形泄爆容器中，对泄爆现象进行实验研究. 容器内充满当量比为1的甲烷-空气预混气，采用底端中心点火，泄爆压力为230±15kPa. 基于k-ε湍流模型和EBU燃烧模型，利用同位网格的SIMPLE算法，对该现象进行了数值模拟. 实验和计算获得的外轴线上4个测压点的压力曲线和外流场的阴影和数值照片，形象地描述了高压泄爆时外部流场的变化. 数值结果与实验结果基本一致. 根据实验和数值结果，详细地讨论了泄爆过程中二次爆炸产生的动力学机理. 泄爆的初始阶段，在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激波高压区. 高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域. 随后，火焰以射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云. 受湍流等因素的影响，特别在高密度的预热区域，燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸.     

碳氢燃料超声速燃烧分区实验研究

高保真度空天发动机数值模拟通常基于快速化学反应火焰面假设,即超声速燃烧反应的特征尺度小于湍流Kolmgorov尺度,该模型方法对于氢气燃料仿真计算结果较好,但对于乙烯等碳氢燃料仍需进一步研究.受限于极端环境特种非接触测量技术,目前尚未见超声速燃烧火焰分区判别的实验研究,导致目前超声速燃烧火焰面模型适用性以及分区燃烧物理模型认识不清,进而也制约了数值发动机技术发展.本工作基于自主研发的MHz发动机内窥光纤传感器,针对单边扩张双模态冲压发动机超声速燃烧火焰分区开展实验研究,通过化学自发光信号的最小香农熵定义超声速燃烧的特征时间τsc,根据理论方法和来流工况估算了超声速燃烧的流动特征时间,结合分区燃烧理论分析了双模态超燃冲压发动机内碳氢燃料燃烧的分区情况.通过燃烧分区情况以及与泰勒尺度的比较结果,验证了碳氢燃料超燃冲压发动机典型飞行条件下燃烧室内超声速燃烧处于旋涡小火焰区域(Re?50 000; Da∈1.80～2.60, B区),多尺度湍流涡结构发挥重要作用,并随着相对于泰勒尺度的不同大小,分别对应了不同尺度的涡结构主导该过程.同时给出了当量比、通量比以及来流马赫数对燃烧特征时间的影响规律...     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

泄爆外流场的数值研究

采用基于k-ε湍流模型和“漩涡破碎”燃烧模型的同位网格SIMPLE算法,对充满当量比的甲烷-空气预混气的柱形泄爆容器,向空气中泄爆的过程进行了数值模拟。并将计算获得的密度和组分等的轴对称二维分布转换为三维分布,由阴影图的光学原理,绘制了相应的计算阴影图。根据计算结果分析了泄爆后外流场出现的可燃云团、火焰、压缩波和漩涡等的特征,并将绘制的计算阴影图与实验阴影照片进行了对照。结果表明,计算阴影所反映出的火焰形状及外流场压缩波的变化过程与实验结果基本一致。     

大涡模拟及其在湍流燃烧中的应用

大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段,在国际上已经得到广泛应用。本文在回顾了大涡模拟(LES)的基本思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式和亚格子燃烧模式中的研究成果,同时给出了采用不同亚格子模式的大涡模拟在湍流燃烧中的应用实例,指出了大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考。      

Recent progress and challenges in fundamental combustion research（燃烧基础研究的进展和挑战）

超过80%的世界的能源转换是由燃烧方法来实现的. 发展可利用替代燃料的清洁和高效的新型发动机是解决可持续能源发展的关键之一. 在燃烧研究领域,实现这一目标的挑战是要揭示从燃料分子到发动机的多尺度燃烧过程中化学反应和火焰动力学机理,发展高效,定量的数值模拟方法和开发新的燃烧技术. 本文从7个方面综述最近几年燃烧领域的基础燃烧研究的进展和挑战. 它们包括低温清洁燃烧的发动机技术,极限条件下的燃烧机理和现象,替代燃料和混合燃料模型,多尺度化学反应模拟方法,高压燃烧反应动力学,基础燃烧的实验方法,和先进测量技术. 本文首先介绍均值充量压缩点火（HCCI）,反应控制压缩点火（RCCI）以及增压燃烧等新型发动机的概念,评述燃料特性和低温燃烧反应过程对湍流燃烧和发动机的影响,讨论发展基础燃烧研究的必要性. 第二,综述燃料浓度分层燃烧,稀薄燃烧,冷炎燃烧,以及等离子体助燃等极限燃烧条件下的新的燃烧现象和火焰机制. 第三,以航空煤油和生物柴油为例来讨论建立模拟真实燃料和替代燃料的混合燃料模型的方法. 介绍活性基指数和输运加权的反应焓的概念并用来比较燃料的高温反应特性和评价燃料的分子结构对燃烧特性的影响. 第四,评述详细化学反应机理简化的方法. 介绍多时间尺度（MTS）的化学反应的模拟和动态关联性自适应机理简化（CO-DAC）的方法来提高详细化学反应机理的计算效率. 第五,讨论高压燃烧的火焰传播速度的实验测量结果以及高压燃烧化学反应机理所存在的问题,并分析高压燃烧的关键组分和反应路径. 第六,评述测量火焰速度和组分等基础燃烧实验方法和模型中的问题和误差来源. 介绍一些改进测量方法和提高测量精度的方法. 最后,介绍测量低温燃烧中的关键组分和自由基的测量方法和最新进展.      

钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近.