加力燃烧室热态流场的大涡模拟

本文采用k方程亚网格尺度模型对带V形槽稳定器模型加力燃烧室紊流化学反应流进行大涡模拟的研究,采用亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量。数值计算表明,在稳定器后面开始在短时间内出现涡的交替脱落和逐渐消失过程,然后形成稳定的回流区,数值计算结果与实验比较吻合,表明可用大涡模拟研究实际燃烧室瞬态燃烧流场。     

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。     

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。     

动态亚网格二阶矩湍流燃烧模型

在二阶矩亚网格燃烧模型的基础上,考虑了密度脉动,提出了动态亚网格二阶矩燃烧模型(Dynamic-LES-SOM)。在此模型中,反应项由平均反应项和亚尺度反应项组成,所有的系数都是通过动态计算得到。使用该模型对美国Sandia国家实验室Flame C进行了计算,并且与忽略密度脉动的二阶矩亚网格燃烧模型结果进行对比。结果发现,DynamicLES-SOM燃烧模型计算结果与实验值吻合得很好,较忽略密度脉动的二阶矩燃烧模型有所提高。     

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.     

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.     

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。     

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。     

NO_x生成的有限反应速率二阶矩封闭模型

本文用有限反应速率二阶矩封闭模型对大速差射流燃烧室内煤粉燃烧过程中NO的生成进行了数值模拟，并将该模型的计算结果与Arrhenius模型的计算结果进行了比较，模拟结果表明，燃烧室中NO的生成是由燃料NO的生成机理来控制，Arrhenius模型计算得到的NO的浓度值高于有限反应速率二阶矩封闭模型的计算结果．     

用简化的联合PDF模型计算CH_4扩散燃烧

在二阶矩的范围内提出了联合的简化的PDF模型,在该模型中,假定联合的PDF满足反应物浓度和温度的三维高斯分布,因此化学反应速率可以很容易的通过积分获得。与其他模型相比,本模型可以方便的应用于湍流预混燃烧和扩散燃烧。为了对该模型进行检验,计算了甲烷的射流扩散燃烧。计算结果表明,相对于EBU,EBU-Arrhenius模型有了很大的改进,特别是轴线上的温度,同时计算结果与实验结果比较相符,表明该模型可以方便的考虑化学反应动力学和湍流扩散的影响。     

气粒流动两相亚网格尺度动能模型的大涡模拟

目前多数两相流动的大涡模拟采用单相流动的亚网格尺度应力模型,没有考虑或者没有完整地考虑两相亚网格尺度应力间的相互作用。本文提出一种两相亚网格尺度动能模型(LES-kkp),可以完整地考虑其相互作用。将该模型用于突扩气粒两相流动的大涡模拟,同时进行统一二阶矩(USM)两相湍流模型的雷诺平均模拟(RANS)。瞬态结果显示出两相流动中的气体形成了典型的拟序结构,但颗粒流动结构完全不同于气体的,没有形成涡结构。LES-kkp和RANS-USM模拟结果实验检验表明,对时间平均速度两种模拟给出结果与实验结果吻合良好,即RANS-USM得到了LES-kkp的验证。对两相均方根脉动速度和两相脉动速度关联量,LES-k-kp的模拟结果优于RANS-USM的模拟结果。     

几种二阶矩模型模拟湍流旋流燃烧的比较

本文对几种二阶矩湍流反应模型,包括统一二阶矩模型、只考虑温度脉动的二阶矩模型、只考虑浓度脉动关联的二阶矩模型、及同时考虑温度脉动和浓度脉动关联的二阶矩模型,进行了比较。将上述模型加入到FLUENT6.0软件平台上,模拟了不同旋流数下甲烷-空气的旋流燃烧。模拟结果和实验结果进行了比较,探讨了各关联量大小及其对时平均反应率的影响。结果表明,统一二阶矩湍流反应模型具有最好的模拟效果。其原因是,各种关联矩中,化学反应率系数与浓度间的脉动关联最重要。     

模型加力燃烧室燃烧流场的并行计算

本文采用基于MPI的并行算法,采用动态内存分配、分区算法和多点重合交错网格系统,在贴体网格下对带V形槽稳定器模型加力燃烧室素流化学反应流场进行数值模拟,湍流模型采用k方程亚网格尺度模型,燃烧模型采用亚网格EBU模型,采用热通量辐射模型估算辐射通量。计算结果表明并行计算对复杂形状的化学反应流动计算效率很高,是模拟大规模的燃烧问题的有力工具。     

基于有限反应速率的扩散燃烧大涡模拟

本文发展了一种基于有限反应速率的湍流燃烧大涡模拟方法。基于此方法,对常压下,甲烷/空气平板射流扩散燃烧进行了大涡模拟.甲烷/氧气反应采用包含七种组分的四步反应简化反应机理,考虑了基于Arrienius定律的有限化学反应速率,瞬态结果和时均结果与DNS结果都符合很好。为了解决考虑有限反应速率后计算量急剧增加的问题,本文引入等效化学反应速率模型,在压力泊松方程的求解中采用了求解效率较高的快速傅里叶变换方法,并对整个程序进行基于区域分解的MPI并行编程处理。     

不可压反应流动直接模拟和亚网格模型的检验

本文用谱方法对三维槽道不可压湍流反应流动进行了直接模拟,用直接模拟数据对大涡模拟亚网格质量流和燃烧模型进行了检验,结果发现,引入壁面阻尼修正的模型与精确值的符合比较好.     

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。     

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。     

有旋和无旋气固两相湍流的不同结构

了解有旋和无旋突扩气粒两相详细湍流结构对控制燃料-空气混合、火焰稳定以及燃烧污染物生成很重要.周力行等曾经对其中的两相时平均流场和湍流特性进行过雷诺平均的RANS模拟和测量的研究,但是BANS模拟不能给出详细的两相湍流的瞬态结构.本文建立了二阶矩两相亚网格尺度应力模型,对有旋和无旋同轴突扩气粒两相流动进行了双流体大涡模...     

一种改进后的亚格子特征尺度表达式

针对大涡模拟涡粘性亚格子模式中使用网格尺度为特征尺度存在的不足,提出一种改进的亚格子特征尺度表达式,利用结合Sagaut混合尺度模式获得的改进模式与Smagorinsky模式、Germano模式和Sagaut模式等进行对比研究.时间发展混合层和中性大气边界层的大涡模拟结果表明,改进的有效亚格子特征尺度能合理反映亚格子脉动的时空分布特性,同时扩展了适用范围.在对耗散程度、流动演化过程、可解湍流强度和可解雷诺应力等方面的模拟,改进模式优于基准模式,表明亚格子脉动有效特征尺度在大涡模拟中具有一定的理论基础和广泛的应用价值.     

基于动态二阶矩模型值班火焰的大涡模拟研究

为加深对湍流燃烧现象的认知,检验动态二阶矩(DSOM)模型在非均匀湍流燃烧中的适应性,本文基于DSOM模型对非均匀入口条件的甲烷空气值班火焰进行了大涡模拟。模拟得到的温度和混合分数分布均和实验数据吻合较好,验证了DSOM模型在非均匀湍流燃烧中的适应性。研究结果表明,在x/D=1和x/D=5的位置温度梯度较大处和混合分数梯度较大处不在同一位置;在火焰的基部存在分层预混燃烧,使得火焰的稳定得到加强;在x/D=15下游,火焰存在局部熄火。