凹腔稳燃超声速燃烧火焰闪回不稳定性的数值研究北大核心CSCD

针对等直截面超燃冲压发动机燃烧室中火焰闪回低频燃烧振荡现象,采用延迟分离涡模拟(DDES)的混合RANS/LES方法结合PaSR湍流燃烧模型进行了三维模拟研究.计算得到了完整的燃烧振荡周期,与实验中的低频燃烧振荡现象较为一致.低频燃烧振荡周期可分为凹腔火焰稳定、火焰回传、火焰吹熄3个阶段.通过分析低频燃烧振荡周期中不同阶段的燃烧流动状态,给出了可能的低频燃烧振荡的形成机制.研究结果表明,在整个低频燃烧振荡周期中燃烧室内没有发生热壅塞,燃烧室提供的背压和燃烧释热是燃烧室内形成低频燃烧振荡的关键.     

泄爆诱导的湍流、旋涡和外部爆炸

基于k-ε湍流模型和Eddy-dissipation燃烧模型,采用同位网格SIMPLE算法,对充满甲烷-氧气预混气的带导管柱形泄爆容器向空气中泄爆的情形进行了数值模拟．根据计算结果,分析了泄爆后外流场中可燃云团、火焰和压力的变化过程．结果表明,外部爆炸是因射流火焰点燃高压区中的可燃云团,从而引起的剧烈湍流燃烧所致．同时还讨论了外流场湍流和涡量的分布特征．射流火焰进入外部可燃云团后,湍流主要分布在平均动能梯度较大的区域,而不在火焰阵面上．涡量分布主要受斜压效应的影响,在压力和密度梯度斜交区域,其值较大．     

预混火焰与均匀各向同性湍流畸变

本文首先引入表征化学反应层厚度的长度尺度新概念,得出一个新的湍流火焰传播速度公式。其次,导出火焰层厚度随释放热量与初始热焓比值τ变化的递增关系。此外,还提出一个新的速度-压力相关式,阐明了预混湍流火焰层内湍流能量增大的机制;从而得出关于均匀各向同性湍流畸变的饶有兴趣的结论。     

大速差同向射流——一种新型火焰稳定与强化燃烧的空气动力学原理

本文介绍了一种稳定火焰和强化燃烧的新型空气动力学原理——大速差同向射流技术。单股或多股高速小射流(空气、蒸汽或其它气体)与低速的主气流(燃料和空气混合物)同方向射入燃烧室,可以产生高湍流强度的大回流区,从而可以使可燃混合物与高温回流烟气有效地混合,以维持燃烧室内稳定而强化地燃烧,甚至对于着火性能很差的燃料也是如此。这是继传统的旋流燃烧器和钝体燃烧器之后又一种新型的有效而实用的火焰稳定方法。基于这种原理研制的煤粉燃烧器更具有优良的性能,并且在结构上也很简单。这种类型的煤粉预燃室,已经在电站和工业锅炉上安装使用。目前,使用这种预燃室可以在冷风条件下成功地启动贫煤(V^f<15％,A^f>30％)锅炉及低负荷情况下仍能维持燃烧。这项新技术所展示的火焰稳定和强化燃烧原理在燃烧界引起了广泛的关注和兴趣。     

挥发分对煤尘爆炸特性影响研究

为了研究挥发分对煤尘爆炸的影响,利用FCY-II粉尘云最低点火能测定仪和水平玻璃管煤尘爆炸试验系统,测定了不同挥发分含量的煤尘爆炸最小点火温度和爆炸产生的最大火焰长度,分析了挥发分对煤尘爆炸最低点火温度影响,即通常情况下挥发分含量越大,最低点火温度越高,个别煤样不符合此规律,是因为水分含量过高,对煤尘爆炸起到抑制作用.选用合适的湍流及燃烧的数学理论模型,应用CFD软件模拟不同挥发分含量下煤尘爆炸的最大火焰长度,模拟结果与试验数据比对,误差均20%,说明数值模拟结果可靠,模拟手段可行,为划分爆炸等级和制定防爆措施提供参考依据.     

热量再循环对有机尘埃微粒燃烧的影响

研究了热量再循环和不同式Lewis数,对有机尘埃微粒燃烧的作用.在微型燃烧室中,由于热量再循环的影响更加显而易见,所以建立更好的模拟微型燃烧室性能的计算模型显得十分必要.为了模拟有机尘埃微粒的燃烧,假定尘埃微粒首先被气化,氧化成为一种化学结构已知的气相,接着假定该可燃气体的化学结构为甲烷.为了研究火焰的结构和求解控制方程,认为火焰结构由3个区域组成,即预热气化区、反应区和后火焰区.通过从后火焰区到预热区的排热来评价再循环现象.问题如下分步求解:首先对各区域的控制方程无量纲化;接着对各区域应用必要的边界条件和协调条件;然后按分析模型,对控制方程以及必要的边界条件和协调条件,同时进行求解.表明,再循环和不同式Lewis数,对有机尘埃微粒的燃烧特性有着显著的影响,得到不同微粒半径时的燃烧速度曲线和温度曲线等.结果与已发表的试验数据吻合.     

湍流的双流体模型及其改进

双流体模型是八十年代出现的一种湍流模型,它能描述在空间同一位置上流体的不同状态。本文扼要介绍了双流体模型的基本思想,重点阐述本文对两种流体相互作用的新的构想和相应的数学模型,包括:在湍流自由射流中湍流流体经衰变和耗散可转化为非湍流流体;预混燃烧区中已燃气和未燃气之间存在热交换;未燃气温度的上升能激化化学反应。改进的双流体模型在对湍流自由射流间歇性和预混燃烧区的分析中获得了更接近实验数据的数值计算结果。     

气体中火焰传播的数学

<正> 人类生活离不开火,在大约一百万年前,我们的祖先已经能够使用天然火,至少在一万多年前,我们的祖先已经懂得人工取火.但是,对火焰传播现象进行系统的科学研究工作的历史并不长,运用现代的数学工具对火焰作定性和定量的分析,可以说还刚刚开始.在气体中火焰的传播实际上是一种波动现象,人们通过长期的观察发现有两种基本的波型:爆燃波和爆轰波.前者反映了一种在气体中较为缓慢的燃烧过程.例如,在汽车和飞机发动机燃烧室内产生的就是这种波.而后者是一种猛烈且高速的燃烧过程,这种过程的结果往往是破坏性的.例如,当煤矿坑道中飞扬的煤粉达到一定浓度以后,就会产生爆轰波,引起爆炸事故.又如面粉厂中面粉的粉尘浓度过大时,也会造成工厂的爆炸事故.这样的事故在国外和我国都曾发生过.大型的运油船如果漏油,就会在周围形成大片可爆炸气云,爆轰波可能在这种气云中形成,这是必须防止的一个潜在危险.利用爆轰波原理,人们制造了气浪弹,这是一种装有环氧乙烷的装置,使用时首先将装置炸开,使     

二维剪切流的粘性-无粘湍流干扰理论

对二维不可压缩近壁剪切湍流,本文提出一个粘性-无粘湍流干扰理论.主要内容有:从分子粘性考虑出发确定干扰湍流的流动结构及其物理尺度,导出空间为小尺度的局部流动结构随顺流距离的演变规律,导出支配干扰湍流流动的简化Reyno-lds(SR)方程和扩散抛物化K-ε方程.该SR方程是作者早先提出的简化Navier-Stokes(SNS)方程的湍流形式,它的重要性质是“简化运算”和时间Reynolds平均运算的顺序可以交换.关于最大湍流剪应力、本理论计算值与实验测量值很好相符.经典湍流边界层理论、Clauser平衡湍流边界层以及湍流分离Triple-deck理论均是本文理论的特例.证实了顺流方向长度尺度随干扰增强而显著减小的实验结论.     

二阶动态亚格子尺度应力模型

提出了一个基于亚格子尺度应力与速度梯度张量之间关系的二阶动态模型.然后利用在高雷诺数的流场直接数值解的结果对此二阶模型进行检验.直接数值解的流场包括均匀各向同性强迫湍流,衰减湍流以及均匀旋转湍流.数值检验结果发现与一阶动态模型相比,二阶模型的相关系数提高.     

超声速钝锥湍流边界层DNS入口边界条件的研究

如何选取恰当的入口条件,是进行湍流边界层直接数值模拟时必须考虑的一个问题.为此建议了一种方法,只需要有平板湍流边界层时间模式直接数值模拟(DNS)所得的一个瞬时的流场,而且其Mach数、Reynolds数及壁面温度条件无需和实际问题中的完全相同,就可导出超声速钝锥湍流边界层空间模式直接数值模拟所需的入口条件.通过3个典型算例,将结果与用其它方法所得结果相比,证实了该方法的可行性.     

煤颗粒燃烧破碎特性及其分数维理论

本文采用激光衍射法和光学显微计算机图像系统及自行开发的软件,测量了三个典型煤在快速加热初期燃烧、等温加热燃烧和火焰燃烧方式的颗粒尺寸,运用分数维理论,建立了煤燃烧颗粒破碎理论,实验和理论研究揭示了煤燃烧中颗粒尺寸变化的本质,理论计算和实验结果符合良好。     

湍流拟序结构与动力系统*

用动力系统描述湍流的主要困难是:如何建立无限维连续介质系统与低维动力系统的联系与确定湍流的空间结构.本文综述复杂系统低维描述的各种方法以及解决湍流问题的新途径.     

大雷诺数平稳湍流的Markov过程描述

湍流扩散是湍流理论中的一个重要问题,并对大气污染等问题具有重要的实际意义。自从Taylor的文章起,五十多年来,许多作者运用拉格朗日观点处理平稳湍流中的扩散问题,取得了不少进展.但至今尚未从理论上解决湍流扩散的概率分布问题,只有解决了这一问题,才箅得到湍流扩散的完整的统计描述。 本文对大雷诺数平稳湍流这一情况,解决了概率分布问题。通过物理分析,文中阐明了大雷诺数平稳湍流可用Markov过程描述;论证了Fokker-Planck方程应采用本文的系数,得到了单粒子运动与二粒子相对运动的转移概率函数,从而得到平稳湍流中单粒子运动及二粒子弥散的完整的统计描述。由此作为特例,证明了单粒子扩散规律与二粒子弥散规律均满足正态性,从而证明了Batchelor的正态假设。此外,作为本文结果的推论,从理论上证明了脉动速度服从正态分布这一著名的实验事实。 关于二粒子相对速度与距离的弥散规律,以及Richardson定律的适用范围,本文与林家翘和W.H.Reid以及E.Krasnoff和R.L.Peskin的结果一致。本文公式当βt<<1时的渐近式与Obukhov一致,从而指明了Obukhov所给方程的局限性。     

表示湍流场的一种新设想

本文仿照量子场论中描述基本粒子产生湮灭的方法来描述湍流中涡旋的产生和消灭.因为当某一基本粒子存在的时候,我们可以认为它是一个不变实体,而湍流中涡旋则在时间过程中不断变化和耗散,所以在类比应用量子场论方法时首先要解决怎样的湍流涡旋可认为是同一个涡旋.根据线性化理论的特点,我们认为在时间过程中按相似性规律变化时湍流涡旋才算是同一个涡旋,而把不具有相似性的涡旋出现或消失,看成是方程(2.6)中相互作用项φ_i所引起的湮火和产生的结果.然后,我们采用和量子场论相类似的产生算符和消灭算符来描述湍流涡旋系统所处的状态.最后,我们利用原N-S方程中相互作用项来构成涡旋相互作用的“Schr?dinger”方程以描述其状态的变化.这样就得类似于量子场论的湍流涡旋相互作用理论.     

关于湍流理论中的不封闭性的讨论*

有一种观点认为湍流的不封闭性是由于N-S方程的非线性,这是一似是而非的错误说法。因为工程上要求的量并不仅仅限于湍流的平均速度和平均压力,即使方程式是线性的,也无法把工程上要求的这些量逐个求出来。本文论证了湍流的不封闭性来源于目前的湍流理论中缺少了一个与实际情况符合的有关分布函数,并且进一步说明了湍流模式理论的局限性和用N-S方程直接计算机模拟亦是相当困难的原因。     

湍流边界层底层相干结构的一个理论模型*

本文采用非线性稳定性分析方法,研究了湍流边界层底层相干结干结构的成因.计算得到的增长最快的不稳定波的展向尺度与纵向尺度都与实验相符.这一分析的特点是采用了不同于湍流平均速度剖面的更合理的速度剖面作为稳定性分析的基础,并采用了新的非线性理论.文中结果有助于理解湍流边界层底层相干结构的拟有序现象.     

圆管层流与湍流进口段效应修正系数的研究

本文对于光滑圆管层流与湍流进口段长度以及压力损失和流量进口段效应修正系数.提出统一的计算方法通过具体算例,提供了层流与湍流进口段效应压力损失和流量修正系数的理论计算公式.并且给出计及湍流进口段效应的流量计算方法.理论计算结果与实验数据比较表明,本文提供的公式.是简便而又可靠的.     

分层剪切湍流大涡模拟的一种动力学亚格子尺度模型

基于Yoshizawa涡粘性模型提出了一种适用于热分层剪切湍流大涡模拟的动力学亚格子尺度 (SGS)模型 ,包括SGS湍流应力和湍流热通量模型 ,计算验证了该模型的正确性 .进一步采用大涡模拟方法和该动力学SGS模型研究了稳定分层和不稳定分层槽道湍流的湍流特性 ,以及湍流主要变量关联量的变化规律 .同时 ,根据计算结果 ,预测了热分层槽道湍流的临界Richardson数 ,与理论分析结果基本相符 .     

线性密度分层流体中垂向湍流扩散的势能模型

本文研究在线性密度分层流体系统中垂向密度界面的无平均剪切湍流扩散规律,从分析湍流动能方程出发,提出一种湍流扩散的势能模型,得到湍流扩散距离随时间的变化以及无量纲扩散速率与当地Richardson数的关系.同时进行了实验检验,其结果与理论预测符合良好.