移动火焰锋面(MFF)模型火焰锋面确定条件的进一步改进

考虑碳粒表面还原反应的移动火焰锋面模型(MFF-Ⅰ)在推导火焰锋面位置时,仅考虑了碳粒表面氧化反应的影响.本文综合考虑碳粒表面的氧化反应、还原反应对火焰锋面位置的影响,给出更严格的推导,即MFF-Ⅱ模型.在通常的燃烧工况下,改进模型MFF-Ⅱ与原始模型MFF-Ⅰ相比,预报结论基本一致.但对于较低氧浓度的工况,比如再燃、气化问题,改进模型MFF-Ⅱ同样可以给出可信的预报结果,而这是MFF-Ⅰ模型所不及的.     

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。     

湍流射流与扩散火焰大涡拟序结构的波动特性研究

１前言湍流射流扩散燃烧方式提供了射流火焰与涡团相互作用的最基本形式,对研究在湍流射流剪切边界层内的反应物的卷吸混合、热量及动量的输运及湍流射流结构方面具有其特殊的意义。Ｋａｔｔａ［１］利用浮力与单步反应机理模型对Ｎ２－Ｈ２射流扩散火焰进行了直接数值模...     

回流扩散燃烧火焰湍流结构特性的PIV测量

利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对不同燃空速度比下的钝体回流扩散燃烧流场进行了测量,考察不同火焰的湍流结构特性.结果表明,流场中轴向脉动速度沿钝体中心轴线成对称分布,轴向脉动速度最大值出现在钝体中心轴线处,流场切向雷诺应力以饨体轴线呈中心对称,在中心轴线处切向雷诺应力值为0,随燃空速度比的增大,轴向脉动速度和切向雷诺应力不断增大,随着与钝体表面的距离增加,流场截面上最大轴向脉动速度不断减小,最大切向雷诺应力先增大,后减小.     

蒸发模型对乙醇湍流射流火焰模拟影响研究

航空发动机燃烧室高精度数值模拟需要合理的蒸发模型,目前蒸发模型对两相湍流燃烧模拟的影响定量研究不足。乙醇较其他燃料蒸发潜热大,对蒸发模型敏感。文章采用LES求解湍流、TPDF解决湍流和化学反应的相互作用,研究AbramzonSirignano(A-S)蒸发模型、Spalding蒸发模型和厚交换层(NC-TEL)蒸发模型对高雷诺数乙醇两相湍流射流火焰的数值模拟结果并与实验数据对比。定量分析不同蒸发模型对温度、混合物分数及液相分布等的规律性影响发现,A-S蒸发模型在射流中心区域与实验数据拟合较好,在其它区域表现欠佳;Spalding模型在x/d=10截面上模拟结果良好;NC-TEL蒸发模型在x/d>10截面及远离射流中心方向上的模拟结果表现最好。与其他模型相比,NC-TEL蒸发模型在液相速度上与实验数据相差最大为21.9%,表现最好。     

受限湍流射流扩散火焰的PDF模拟

采用k-ε双方程模型和概率密度函数(PDF)相结合的办法,研究受限条件下的湍流射流扩散火焰,着重考虑受限条件下固体壁面、压力梯度等因素对速度场和标量场求解的影响,并在此基础上对两个不同尺寸的受限湍流燃烧场进行计算,分别研究了受限湍流射流扩散火焰的流场结构、火焰结构和火焰形状.最后给出结果,定性分析,并得出结论.     

氢气对薄反应区湍流火焰详细火焰结构影响研究

氢是一种非常有前景的清洁可再生能源载体.掺氢燃料预混稀燃是当前开发清洁高效的低排放燃气轮机最重要的能源转化方式之一.本文基于预混CH4/H2/air本生灯火焰,对氢气掺混影响下的湍流火焰详细火焰结构进行了测量和表征.实验采用CH2O和OH基平面激光诱导荧光(PLIF,Planar Laser Induced Fluor...     

湍流预混火焰中的浮力效应

本文利用数值模拟研究了浮力对湍流预混V形火焰平均速度场的影响,发现浮力效应主要体现在远场区域,而在火焰刷附近非常有限;利用落塔和 OH-PLIF 方法在正常重力和微重力下观测了火焰皱褶,发现浮力压制火焰皱褶的程度与湍流强度密切相关。分析表明斜压机理是浮力影响火焰皱褶的重要原因。     

基于FGM的湍流射流扩散火焰超大涡模拟

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较.结果表明本文发展的VLES-FGM方法可以较准确地预测出湍流射流扩散火...     

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。     

壁面附近火焰OH自由基行为的PLIF研究

利用OH-PLIF测试技术在狭缝燃烧器上考察了不同壁面条件对平行平板间甲烷/空气预混火焰壁面附近处OH浓度分布的影响.实验结果表明,随着壁面间距的减小,狭缝火焰出现不稳定传播现象,不同壁面温度下不稳定传播现象不同.壁面附近OH浓度越高,熄火间距越小.壁面附近的OH浓度是决定熄火间距的关键因素,而火焰的OH浓度峰值只表示...     

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。     

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.     

考虑碳粒表面还原反应的移动火焰锋面(MFF)模型

在原始移动火焰锋面(MFF)模型的基础上,提出一种考虑碳粒表面还原反应的改进MFF模型。该模型给出了包括表面还原反应和 CO容积反应在内的碳粒燃烧反应速率的显式表达式,便于分析和讨论各种工况下碳粒的燃烧状态和影响因素。与原始的 MFF模型和单膜模型相比,所计算的颗粒温度和燃烧速率更符合严格的连续膜模型的预报结果,而计算时间只为连续膜模型的数十万分之一。研究结果表明,改进的 MFF模型是一种简单可行、适于工程应用的碳粒燃烧理论模型。     

用于湍流燃烧温度测量的激光诊断技术

在湍流燃烧模型及CFD仿真软件的实验验证以及实际燃烧装置性能改进中,准确的温度测量以及温度梯度分布测量十分重要.Rayleigh散射、过滤Rayleigh散射和双线平面激光诱导荧光等基于激光的测温技术已在湍流燃烧实验研究中广泛应用,但每种测温技术都不能满足所有的测量环境.因此,须根据具体的探测对象和测量需求,对测温方法和实验方案进行合理选择.文章主要对这3种测温技术的工作原理、适用条件、研究现状和实际应用中需注意的问题进行综述.      

甲烷-空气湍流预混V形火焰特性的数值模拟

应用RNG K-ε湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧速率模型,模拟了湍流预混V形火焰的起燃过程。数值模拟首先得出了圆柱形稳定杆后的卡门涡街,并进一步给出了火焰锋面在传播中的特征。在火焰点燃的初期,火焰的形状受到稳定杆尾流的卡门涡街的很大影响。随着火焰向前传播,涡街渐渐消失。火焰锋面的传播过程与差分干涉方法得到的实验测量值吻合较好。     

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。     

微重力环境下V型层流预混火焰锋面不稳定性分析

本章试图寻求描述火焰锋面动态特性的方法，以解释微重力环境下出现的V型火焰锋面的涟漪现象。采用线性稳定性理论从经典的G方程中导出了描述火焰锋面动态结构的一阶偏微分方程。采用该方程计算了声波扰动后，不同时刻的V型火焰锋面的动态结构．对于谐波扰动，其频率与波数的关系是分析固有火焰锋面不稳定性的基础。因此，微重力环境下V型火焰锋面的不稳定性可能是声波与谐波相耦合的结果。     

H_2/N_2湍射流抬升火焰的直接数值模拟

使用上海超算中心的并行计算机模拟了一个实验参数下的湍流射流抬升火焰。该实验的喷口直径为4.57 mm,实验雷诺数达到了23600。为了完成这个高雷诺数射流燃烧的直接数值模拟,共采用了1024个CPU,共计2.85亿网格。主要介绍了采用的直接数值模拟方法,实验的具体参数以及选取该实验作为模拟对象的原因。最后用直接数值模拟的结果具体分析该实验的着火机理。     

坡度条件下湍流扩散火焰形态的实验研究

本文以湍流扩散火焰为研究对象,在不同坡度及热释放速率条件下开展了火焰形态参数演化的实验研究。结果表明,当坡度在10°~15°范围内上升,火焰附着长度的增加主要是由于火焰两侧空气卷吸差异引起的压差。火焰附着长度和水平火焰长度之间呈现出较好的线性关系,火焰附着范围可通过火焰长度及火焰倾斜角来表征。当坡度为0°和40°时,无量纲火焰长度和无量纲热释放速率之间满足幂律关系;相对于坡度为0°时,40°时火焰长度随热释放速率的增长速率较为缓慢。