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。     

湍流扩散燃烧的数值研究-PDF方法和火焰面模型的性能比较

采用标量概率密度函数(PDF)方法、稳态和非稳态火焰面模型三种方法对一个值班湍流CH_4/O_2/N_2射流扩散火焰(Sandia Flame D)进行数值计算,以比较不同燃烧模型的性能。PDF方法通过计算反应标量的PDF输运方程来得到标量分布,而火焰面模型只求解单标量混合物分数的PDF方程,组分和温度分布通过火焰面方程的求解或者火焰面数据库的插值得到。计算结果和实验数据对比表明PDF方法计算结果最好但计算量相当大,稳态火焰面模型则反之。综合而言,非稳态火焰面模型的预测结果相对稳态模型有了非常大的改进,而计算量仍然容易接受,非常适合工程应用。     

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。     

各向异性颗粒PDF输运方程及其颗粒湍流扩散

根据Minier的模型,获得颗粒所见流体脉动速度的朗之万模型,并推导颗粒所见流体湍流脉动速度自关联函数,该函数具有各向异性的特征,进一步由流体脉动速度朗之万模型和颗粒运动方程获得相应的颗粒PDF输运方程.为描述在网格生成湍流中的颗粒扩散运动,将颗粒PDF输运方程作相应的简化,获得一个具有颗粒湍流各向异性的解析解,将方程的解与Wellsand Stock的颗粒湍流扩散实验结果进行比较,获得了很好的结果.揭示了具有各向异性特征的颗粒PDF输运方程的优越性.     

基于自回归模型的超细颗粒动态光散射模拟

为了获取超细颗粒动态散射光模拟信号, 在分析超细颗粒动态散射光信号特性的基础上, 通过建立动态光散射随机过程的自回归(AR)模型, 利用Levison-Durbin递推算法确定模型参数, 并给出了单峰、双峰分布颗粒信号模拟的模型阶数确定方法, 从而提出了一种基于AR模型的态光散射信号模拟方法。分别对50 nm, 300 nm, 1000 nm, 50 nm与1000 nm, 100 nm与500 nm, 300 nm与1000 nm的单峰、双峰分布颗粒在模型阶数分别为1, 1, 1, 57, 28, 40时进行了模拟, 得到的模拟信号的光强自相关函数与理论值吻合, 用累积法对单峰分布颗粒反演和双指数法对双峰分布颗粒反演, 相对误差分别小于0.58%和3.7%, 因此, 单峰分布颗粒信号模拟需一阶模型, 双峰分布颗粒信号模拟粒径不同所需阶数不同。     

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。     

旋流燃烧NO生成的USM湍流反应模型

用统一二阶矩(USM)湍流反应模型对不同旋流数下甲烷-空气旋流燃烧NO生成进行了数值模拟,并和EBU-Arrhenius(E-A)燃烧模型对燃烧的模拟结果和简化PDF湍流反应模型对NO生成的模拟结果以及相应的实验结果进行对比。结果表明,USM模型显著地优于E-A模型和简化PDF模型。E-A模型不能合理地模拟有限反应动力学,而简化PDF模型用两个单变量PDF的乘积代替联合PDF,大大地低估了NO湍流反应率。USM模型预报结果和实验结果符合最好。     

氢气扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征的PDF模拟

采用κ-ε湍流模型、标量联合的概率密度函数(PDF)输运方程和层流火焰面模型相结合,模拟氢气自由扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征.给出了主燃区内辐射源项湍流脉动的频率图.辐射源项的样本点分布集中,大约95%以上的样本落在其系综的±3倍方差以内,频谱图为单峰.     

钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.     

尾流的双尺度简化模型及其大涡模拟建模

叶轮机中存在着复杂的湍流流动结构,如何准确地模拟湍流流动一直是工程界关注的核心问题。由于湍流在大部分区域都处于强非均衡态,根据均衡能量传输假设建立起来的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型都不再适用。非均衡湍流的一个经典的模型流动是尾流,但通常意义上的尾流往往是无数不同尺度相互作用的结果,难以进行简化分析。本文构造了一个极度简化的双尺度尾流模型进行了直接数值模拟(DNS),结果显示在转捩前期就存在反向的非均衡能量传输。分别采用各种传统的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型进行了数值模拟,发现各种模型都无法准确预测尾流转捩。在考虑非均衡能量传输机制后,通过流向速度梯度扭率构造的理性亚格子应力模型可以使大涡模拟模拟的转捩位置相对于标准Smagorinsky模型有所改善;不采用涡粘假设的改进速度增量(IVI)模型可以得到更加接近DNS的结果。这些结果为湍流模型进一步的改进提供了思路。