湍流模型对钝体燃烧器流场模拟的影响

湍流燃烧过程涉及燃烧反应和湍流在微小时间和空间尺度上的耦合,因此湍流模型的有效性对燃烧器流场CFD模拟的准确性有重要影响。采用5种k-ε类和k-ω类两方程模型和雷诺应力模型模拟了钝体燃烧器内冷流流场,并采用PIV测量方法进行了实验验证。比较和分析数值模拟和PIV实验结果发现,不同湍流模型的模拟结果在诸如速度分布和涡结构上存在较大差别,标准k-ε模型和RNGk-ε的模拟流场最接近本文的实验结果。     

冲击射流预混火焰的数值模拟

采用FLUENT软件,选择标准k-ε模型、RNG k-ε模型、低雷诺k-ε模型（Abe-Kondoh-Nagan）对停滞板燃烧器内冷态流场进行数值模拟,然后将模拟结果和实验结果进行比较。结果表明,RNG k-ε模型和AKN（Abe-Kondoh-Nagan）模型得到的结果与实验结果比较接近。用RNG k-ε模型和Abe-Kondoh-Nagan模型对停滞板燃烧器的预混燃烧进行数值模拟,通过与实验结果的比较,评价了两种湍流模型对停滞板预混燃烧的数值预测能力。     

钝体燃烧的数值模拟

钝体燃烧模拟考虑湍流和燃烧相互耦合。在标准κ-ε两方程模型下分别采用非预混燃烧模型中化学平衡、稳态小火焰和瞬态小火焰模型,研究不同燃烧模型对组分、温度场以及流场分布的影响。数值模拟结果表明,上述燃烧模型模拟的结果与前人研究成果存在不同程度的差异,稳态小火焰模型优于其它模型,但模拟该燃烧器的燃烧模型尚需进一步完善。     

钝体燃烧器湍流预混燃烧的数值模拟

采用湍流火焰封闭燃烧模型(TFC)模拟了钝体燃烧器的湍流预混燃烧,比较了基于火焰褶皱率和湍流燃烧速度2种源项解法对钝体预混燃烧的预测,对3个不同湍流燃烧速度表达式模拟的性能进行了比较,采用粒子成像测速技术(PIV)测量了燃烧器中心射流出口的速度分布,并将其作为边界条件代入计算.结果表明:不同湍流燃烧速度公式的计算结果在火焰刷厚度、位置及火焰前锋位置方面存在较大差别;Gulder公式的计算结果最接近试验数据,火焰刷厚度与试验结果吻合较好,但火焰刷位置与试验结果差别较大;Dinkelacker的火焰褶皱率模型主要模拟燃烧器在高压条件下的燃烧,在运行压力接近标准大气压的情况下,计算结果与试验值存在较大误差.     

合成气低旋流燃烧器设计与流动结构的分析

设计了一个合成气低旋流燃烧器,采用PIV技术对不同负荷下的冷态流场进行了测量,并比较分析了不同中心射流流速对旋流流场的影响.结果表明:流场中出现中心回流区时的旋流数与中心流速无关,高旋流与低旋流的分界点为S＝0.7;流场中的轴向速度、径向速度和湍动能均关于燃烧器中心轴线对称;中心轴线上无量纲轴向速度的分布与中心射流流速(负荷)无关,燃烧器出口下游形成一个发散低速区,有利于稳定充分燃烧;随中心射流速度的增大,径向速度成正比增大,湍动能明显增加.     

火焰拉伸对甲烷/空气和丙烷/空气层流燃烧速度的影响

通过拓展层流火焰消耗速度的概念,将其定义与反应进程变量（progress variable）的定义相结合,给出了一个积分层流燃烧速度的广义定义。在准一维稳态系统中,分析了积分层流燃烧速度,以及其与未燃气体的位移速度和已燃气体的位移速度之间的关系。对甲烷-空气和丙烷-空气拉伸层流预混火焰在常温常压下进行了数值计算,研究了在不同当量比下,火焰拉伸对层流燃烧速度的影响,并得出了马克斯坦长度。对基于通过火焰前锋放热率的积分层流燃烧速度和基于燃料消耗率的积分层流燃烧速度进行了比较。结论表明低拉伸火焰的马克斯坦数与渐进分析一致,也与球形火焰获得的实验数据吻合。