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。     

喷管内壁多孔处理的圆口喷流大涡模拟

本文对一亚音速圆口喷管内壁面施加盲孔,使其壁面多孔化,采用大涡模拟结合FW-H方法研究了马赫数M=0.6时喷管外的非稳态流场与远场噪声。研究结果显示,这种内壁小孔结构对喷管外流场的湍流脉动有一定的削弱作用。时空相关系数的对比表明,内壁小孔结构同时减弱了脉动量各自在时间和空间上的相关性,削弱了大尺度的涡结构。通过对涡强、膨胀率和Q涡识别准则的可视化分析,研究了剪切层中涡结构在喷流轴向的产生、发展与演化过程,结果表明内壁小孔结构抑制了涡配对现象,加强了流动掺混,从而加速了剪切层的发展。     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

高温横流燃气喷雾掺混的数值研究

高温高压条件下受限空间内旋流喷雾与横向气流的掺混规律尚不清楚,本文对圆形通道内高温燃气与旋流喷雾掺混蒸发过程进行了三维数值模拟,探究流场特征与掺混规律,研究增强流场掺混效果的方法。研究结果表明,四喷嘴周向均匀布置可以使雾化液滴群较均匀的充满掺混空间。相邻喷嘴中间区域液滴群浓度较高,气相温降较大。靠近壁面区域出现多组小尺度的旋涡对结构,小尺度涡结构的发展是促进掺混蒸发过程的主要方式。喷嘴雾化锥角、轴向倾角、切向倾角影响雾化液滴滞留时间及喷雾轴向贯穿深度,进而对掺混效果有较大影响,选择适中的喷嘴雾化角及入射角有利于流场掺混均匀。     

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。     

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.     

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.     

旋流和无旋突扩流动的LES和RANS模拟

本文用smagorinsky-Lilly亚网格尺度湍流模型对旋流突扩流动(s=0.53)和无旋突扩流动(s=0)进行了大涡模拟(LES模拟),同时分别用压力应变项为IPCM和IPCM+Wall模型的雷诺应力方程模型进行了RANS模拟,和LES的统计结果对比。LES的统计结果与雷诺应力模型的模拟结果及实验对照表明,LES结果与实验结果的吻合比雷诺应力模型的好,说明所用的亚网格尺度湍流模型对旋流流动是适用的,LES结果是可信的。LES的瞬态结果揭示出在旋流作用下,流场中存在复杂的旋涡脱落现象。大涡结构极易破碎成小涡,而在无旋突扩流动的情况下,由于剪切的作用更强,大涡结构的尺寸和范围比旋流流动的要大。     

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。     

高焓横向射流尾迹区掺混燃烧的数值特性

尾迹区作为横向射流流场的重要结构受到广泛关注,其掺混和燃烧特性对近壁面区域的流场特性有重要影响.文章在对仿真充分验证的基础上,采用Reynolds平均模拟方法对Ma=8飞行条件下高焓横向射流尾迹区中的掺混和燃烧特性进行了数值研究.探究了冷热流场尾迹区中的氢气掺混特性,冷态流场尾迹区中的激波结构对氢气分布产生一定影响,热态流场尾迹区中存在多种氢气掺混路径.V形回流区中的高浓度氢气对燃烧产生了一定的阻碍作用.定量测量了尾迹区中的火焰结构,尾迹区火焰的顶点位置随高度增加向下游线性移动,受射流主流影响,尾迹区火焰的展向宽度在距离壁面一定高度后开始增大.对冷热流场中的主要参数进行了对比,燃烧消耗了氢气使温度升高,但是尾迹区中的流动速度没有明显增加,燃烧放出的热量没有完全转化为流体的动能.      

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焰中的非稳态燃烧过程,且VLES湍流模拟方法对于湍流燃烧问题具有较大的应用潜力。     

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。     

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。     

湍流扩散火焰的非稳态火焰面模拟

采用稳态的和非稳态的火焰面模型同时对一个湍流甲烷射流扩散火焰进行了数值模拟,比较了两者对湍流平均火焰结构、活性自由基和污染物(氮氧化物)排放的模拟效果。速度场采用κ-ε模型计算,守恒标量混合物分数的分布通过其概率密度函数(PDF)输运方程的求解得到。稳态的火焰面结构由查询火焰面数据库得到,而非稳态的火焰面结构由火焰面方程和流场方程耦合求解来计算。采用详细的GRI—Mech 3.0机理描述甲烷的氧化和氮氧化物的形成。数值模拟结果和实验数据作了广泛的对比,验证了火焰面模型对湍流扩散燃烧的定量模拟能力。     

壁面换热和压力梯度条件下边界层演化的LES研究

本文采用大涡模拟(LES)方法对壁面换热边界条件下有压力梯度的分离边界层流动问题进行了数值模拟研究,对不同壁面热边界条件下分离边界层进行了统计特性及瞬态流场分析.结果表明:与绝热壁面条件相比,等温冷壁面条件(0.8倍来流总温)下附着边界层内的速度剖面比绝热壁面更加饱满,边界层形状因子降低、分离泡也被显著抑制,其时均分离泡尺寸无论是在流向还是法向均更小;等温冷壁面条件下分离剪切层展向涡脱落的位置提前,展向涡卷起的频率降低,分离剪切层内相干结构尺度整体减小,促使分离边界层转捩加速和再附位置前移。     

热激励器对超音速自由射流流动特性的影响EI北大核心CSCD

本文研究热激励器对超音速自由射流流动特性的影响,用S-A湍流模型得到马赫数为1.3的自由射流的准稳态流场,然后用LES方法模拟热激励器的热效应对射流流场不同区域的激励作用。文中讨论了持续式加热和脉动式加热对超音速剪切层涡发展的不同影响。前者通过提高局部区域温度,影响自由射流流场结构和超音速剪切层的涡结构;后者则通过凹槽内的脉动式热效应,产生压力扰动作用于主流场来改变涡的发展特性。     

热激励器对超音速自由射流流动特性的影响

本文研究热激励器对超音速自由射流流动特性的影响,用S-A湍流模型得到马赫数为1.3的自由射流的准稳态流场,然后用LES方法模拟热激励器的热效应对射流流场不同区域的激励作用。文中讨论了持续式加热和脉动式加热对超音速剪切层涡发展的不同影响。前者通过提高局部区域温度,影响自由射流流场结构和超音速剪切层的涡结构;后者则通过凹槽内的脉动式热效应,产生压力扰动作用于主流场来改变涡的发展特性。     

基于Raman与FTIR对掺甲烷乙烯/氢气扩散火焰碳烟有序度和官能团的研究

以甲烷、乙烯、氢气混合扩散火焰碳烟为研究对象,采用激光共聚焦拉曼光谱（Raman）和傅里叶红外光谱（FTIR）研究了不同掺甲烷比例下乙烯、氢气混合火焰碳烟有序度及官能团的分布特性,分析了碳烟石墨化和官能团分布,揭示了掺甲烷对乙烯/氢气（氢气比例30%）层流扩散火焰的碳烟生成影响规律。Raman研究表明在甲烷掺混比为3%和7%时,在火焰高度低于4cm位置生成的碳烟有序程度显著降低,表明在此区域存在明显的碳烟生成协同效应;甲烷掺混比增大超过10%时,协同效应基本消失,碳烟有序度上升。FTIR研究表明掺混甲烷对碳烟官能团组成影响明显。掺混甲烷后脂肪族官能团相对含量整体提高。随着甲烷掺杂比的增大,CH₂相对含量增大到一峰值后减小。碳烟中芳香族官能团含量随着火焰高度的上升含量下降明显。掺混3%和7%甲烷,芳香族官能团在2和3 cm火焰高度时,芳香族官能团的含量明显上升。掺混甲烷比高于10%时,芳香族官能团的含量则有所降低。表明少量甲烷掺混使得CH₃和C₃H₃生成有了新的途径,CH₃和C₃H₃增加,而C₂H₄和C₂H₂减少不明显,从而促进了多环芳香烃(PAHs)的生成。继续增加甲烷因为稀释作用会抑制C₂H₂生成从而减少PAHs的生成,芳香族相对含量降低,因而降低了碳烟的生成。研究揭示了甲烷对乙烯/氢气层流扩散火焰中碳烟形成的相互作用：在低甲烷掺混比时存在协同效应促进碳烟生成,而在高甲烷掺混比时协同效应消失。     

气泡-液体闭式多股射流的大涡模拟研究

采用气泡-液体两相流动的欧拉-拉氏大涡模拟,研究了矩形通道内多股射流形成的气泡-液体两相湍流流动,得到了气液两相湍流瞬态结构,产生和发展过程。研究结果发现气泡和液体都有瞬态大涡结构,气泡脉动比液体的强。大涡模拟统计结果给出了有无气泡两种情况下的液体湍流脉动速度均方根值分布。瞬态和统计结果都表明,气泡增大了液体湍流,液体湍流来源于其自身的剪切产生和气泡的作用。这与二阶矩模型模拟结果定性一致。     

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。