受浮力作用的湍流扩散火焰的数值模拟

应用浮力修正的k-ε模型和EDC湍流燃烧模型对旋流燃烧室内具有较低燃料/空气初始动量的甲烷湍流扩散火焰进行了数值模拟，得到了两组工况下的气体时均速度场、温度场、组分浓度场和湍流脉动速度均方根值分布等．并与实验数据进行了比较，二者基本相符．同时，还将计算结果与标准k-ε模型的模拟结果进行了对比，揭示了浮力对具有较低初始动量的湍流扩散火焰的影响．     

湍流分层射流火焰的直接数值模拟

使用直接数值模拟和详细化学反应机理研究了三维甲烷/空气湍流分层射流火焰．火焰呈V形,由稳燃棒进行稳燃．分析了不同流向位置处的火焰分层现象,在上游出现了前支撑火焰,下游出现了后支撑火焰．下游火焰的燃烧强度大于上游火焰的．通过对火焰结构的进一步分析,发现前支撑燃烧向后支撑燃烧的转变与H2基团在产物侧的积累有关．同时,后支撑火焰中出现了H2基团的优先输运现象,这增强了预热区的化学反应强度,从而增强了燃烧强度．对火焰位移速度与切向应变率的联合分布的分析表明,较小的切向应变率对应较大的位移速度．与下游相比,上游负火焰位移速度的概率较大,这是由较大的正切向应变率造成的．     

浮力对湍流旋流火焰影响的数值模拟

采用浮力修正的k-ε湍流模型和涡团耗散（EDC）湍流燃烧模型,对旋流燃烧室内具有不同初始切向动量或旋流数的受浮力作用的甲烷湍流火焰进行了数值模拟,得到三组工况下的气体温度场、组分体积分数场、速度场和湍流脉动特性的分布,并与试验测量数据进行了比较.结果表明：浮力对初始切向动量或旋流数较高的湍流火焰有更强的影响.     

二甲醚湍流射流推举火焰的燃烧机理研究

对长、宽、高为650 mm×400 mm×12 mm的半闭口狭窄矩形通道（海伦-肖装置）内的甲烷/空气层流预混火焰传播过程进行了实验研究,探究当量比φ在0.6~1.2范围内、火焰传播角度ω在垂直向下-90°至垂直向上90°区间对火焰前锋轮廓发展及非标准层流火焰速度的影响。结果表明：火焰在通道内的传播分为热膨胀、准稳态传播和端壁效应3个阶段,每个阶段具有各自不同的前锋轮廓特征。由于瑞利-泰勒不稳定性机制的作用,所有当量比工况下向上传播的火焰均在准稳态传播阶段中呈现出明显的锋面褶皱与胞状结构;对向下传播的火焰而言,其在贫燃工况（φ为0.6,0.8）下的胞状不稳定性得到了有效抑制,而在当量比φ=1.0及富燃工况（φ=1.2）下,该稳定性效应并不显著。火焰瞬时速度与标准层流速度的比值Ui/UL,在φ=0.6的极贫燃工况与其他当量比工况下展现出明显不同的发展特性,极贫燃工况火焰向上传播时（ω=90°）,Ui/UL随着传播过程的进行一直增大,直到火焰触碰壁面末端熄灭,整个过程Ui/UL与火焰传播方向呈正相关关系;而对于其他当量比工况,Ui/UL在传播过程中均先升高后下降,火焰触碰壁面末端熄灭前其值趋于稳定,其平均速度与标准层流速度的比值Ua/UL在水平传播（ω=0°）时达到最大值。     

一维湍流预混火焰的数值模拟

建立湍流燃烧的“双流体”数学模型,用于一维湍流预混稳态火焰的描述,假定燃烧火焰由冷的反应物（预混气体）和热的生成物（燃烧产物）组成,它们既有各自的属性,又相互作用,进行热量,质量和动量的交换,采用Patankar和Spalding的Phoenics计算程序来求解该数学模型,成功地模拟了一维湍流参混火焰的压力场,密度场,速度场。     

基于二阶矩封闭湍流模型的非预混湍流火焰的数值模拟

应用二阶矩封闭湍流模型进行了湍流非预混钝体稳定火焰数值模拟的研究.应用LRR-IP模型,JM模型,SSG模型以及两个修正后的LRR-IP模型等二阶矩封闭湍流模型,进行了钝体稳定火焰数值模拟的研究.对于复杂的钝体稳定火焰,一些模型无法给出令人满意的结果,而且不同模型的结果差异很大.在研究中,湍流燃烧模型采用了化学平衡模型和假设PDF模型.研究结果表明,对于钝体稳定火焰,SSG模型以及两个修正后的LRR-IP模型要优于其他几个二阶矩封闭湍流模型.     

二阶矩亚网格燃烧模型对射流火焰的大涡模拟

用二阶矩亚网格燃烧模型对美国Sandia国家实验室测量甲烷／空气射流火焰进行了大涡模拟(LES),与实验数据和用二阶矩输运方程湍流燃烧模型的雷诺平均(RANS)模拟结果进行了对比．LES得到时间平均的温度, 甲烷浓度以及温度脉动均方根值和实验值符合很好．LES时均值和RANS模拟结果接近,LES脉动均方根值优于 RANS模拟结果．LES瞬态结果显示了有燃烧时的拟序结构比无燃烧时的强,同时拟序结构强化了燃烧,湍流射流火焰呈皱折火焰面的状态．     

有辐射热损射流扩散火焰条件矩模型数值模拟

假设火焰辐射区域为光学薄,将辐射计算的代数模型嵌入到条件矩模型中（CMC（rad））,对甲烷－空气射流扩散值班火焰进行了模拟。并将此模型的模拟结果分别与实验和未考虑辐射热损的条件矩模型（CMC（ad））的结果进行了比较。结果表明采用代数模型计算辐射热损失是合适的,且考虑辐射的条件矩模型对温度场和NO的浓度的模拟结果相比未考虑辐射热损条件矩模型的模拟结果,与实验结果符合得要好。     

基于一维全尺度湍流模型的氢气射流扩散火焰结构数值模拟

基于Kolmogorov涡旋理论,建立了随机涡旋特征时空尺度及发生频率分布数理模型,在求解动量、组分和能量层流边界层方程的同时,对随机涡旋进行物理概率意义上的模拟．化学反应采用23步氢气氧化详细机理．控制方程组数值求解时,时间积分采用Williamson发展的三阶精度、全显式、低存储Runge-Kutta法,空间离散采用类谱高精度Padé紧致差分格式．结果表明,高精度数值离散格式能更好表达湍流小尺度的时空结构．运用一维全尺度湍流模型对氢气湍流射流扩散火焰结构进行计算研究,模拟结果充分展示了湍流涡旋串级现象,表明湍流涡旋对标量混合具有重要影响,涡旋增强了燃料和氧化剂之间的湍流输运,强化了混合,从而大大影响湍流燃烧速率．     

不同扩散效应下一维湍流模拟氢气-空气射流的扩散火焰

应用一维湍流模型（ODT）来研究湍流射流氢气．空气扩散火焰,研究过程中采用详细化学反应机理和多分量输运属性．对于火焰长度、主要燃烧产物及温度的预测较好地符合了实验结果．ODT模拟结果产生了较高的近场扰动．提出了一种旨在通过修改涡事件选择过程从而提高ODT模型精度的新观点．在模拟中检验了微分扩散效应,结果显示当前火焰中存在着显著不同的扩散效应．     

湍流扩散火焰中对基于混合分数的湍流燃烧模型的数值研究

根据条件矩模型(CMC)和小火焰面模型在模型构建上的相似,针对具有不同大小雷诺数和湍流-化学相互作用特性的非预混湍流射流火焰,对这两种模型进行了数值研究和比较.湍流燃烧模型采用Lagrangian型非稳态小火焰模型(LFM)和径向加权积分的CMC模型,而在H2/N2火焰的数值研究中还考虑了稳态小火焰模型的数值模拟结果....     

不同湍流模型对强旋流动的数值模拟

在径向浓淡旋流煤粉燃烧器单相冷态试验的基础上，充分考虑旋转对湍流流场的影响，有用k-ε双方程及其修正模型和二阶矩雷诺应力模型（DSM），对流旋煤粉燃烧器出口强旋流场进行了数值模拟。数值计算结果表明：k-ε双方程模型定性上可以预报出强旋流场的主要特点，但回流区的预报区域偏大，轴向速度的预报结果与试验值有一定差距，预报的回流速度偏低，速度衰减过快，这是由于k-ε湍流模型采用了较多的简化和未考虑旋转对湍流的影响。采用基于旋转体系使湍流脉动加强和削弱两种作用的修正方法对k-ε双方程的湍流耗散率方程进行修正。计算结果表明：从旋转体系可使湍流能量加强出发的Bardina涡量修正方法，预报回流区范围较标准k-ε湍流模型缩小，更加接近于试验值。其计算结果优于使湍流 脉动削弱的Richardson修正。DSM模型对轴向回流速度和切向速度后期分布预报结果较上述模型有较大改善，可体现出湍流雷诺应力非均匀各向异性的特点，虽然此模型仍有收敛速度慢、计算时间长的缺点，但对预报强旋流动是一个精度较高、极具潜力的方法 。图9参11     

基于FGM模型的同轴射流非预混火焰大涡模拟

采用直接数值模拟方法对二甲醚(Dimethyl Ether,DME)射流推举燃烧进行了研究（DNS）,分析了DME射流推举火焰结构、燃烧模式和推举稳定机理。数值模拟工况条件为：燃料由狭缝射出,初始温度500 K,射流速度138 m/s;伴流空气的初始温度1 000 K,流速3 m/s,压力为0506 6 MPa。研究表明：DME射流推举火焰与传统的边火焰有很大不同,在射流核心区内存在1条低温放热分支以及紧随其后的中温着火分支,并且推举稳定点位于贫燃侧;DME湍流射流推举火焰包含冷焰反应区(Cool Flame Zone,CFZ)、中温反应区(Intermediate Temperature Zone,ITZ)、富燃高温区(High Temperature Rich Burn Zone,HTR)以及贫燃高温区(High Temperature Lean Burn Zone,HTL)4种模式;在CFZ与ITZ区内湍流混合占主导,并且湍流混合会抑制低温放热;在HTR与HTL区内放热速率占主导地位,但是湍流会显著增强超贫燃区间内的高温放热速率;大部分热量在HTL和HTR区产生,而CFZ和ITZ区对总体产热的贡献微乎其微,但是所产生的中低温组分加快了高温着火过程;射流推举稳定性由贫燃侧的高温自着火反应机制所控制。     

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.     

弱剪切平面湍流射流的直接数值模拟

采用直接数值模拟方法研究了弱剪切平面湍流射流的涡量场。其中“弱剪切”是指射流出口速度与伴随流速度的大小在同一数量级(文中为2：1)。计算结果精确捕捉到了大涡卷起、两涡配对及特殊的三涡合并现象。纵向速度U的平均分布与实验值符合得很好。由于涡量场关于射流轴线的完全对称性，雷诺应力的分布较为特殊。图6参8     

气固两相透平内颗粒湍流扩散的Lagarange数值模拟

在双级跨音速燃气透平全三维黏性湍流场下,采用气固双向耦合模型分别对不同粒度的煤颗粒以及体积分数为0.903×10-4%的5～50μm分布直径混合颗粒群在叶片流道内的湍流扩散运动进行了Lagarange数值模拟,分别得到和分析了相应的运动轨迹和运动滑移。与无黏、层流、单向耦合假设条件下的数值模拟结果比较,得到了颗粒真实的运动特性,特别是在叶片根部、顶部和压力面上,颗粒与叶片撞击点的分布与实际叶片冲蚀点分布情况较为吻合,证实了叶片流道内颗粒湍流扩散特性的不可忽略性。数值模拟结果将为进一步优化气固两相透平叶片的气动设计提供更可靠的依据。     

冲焰角度对燃烧特性影响的数值模拟

以冲焰式扩散燃烧器为研究对象,应用fluent数值模拟软件,运用非预混燃烧模型模拟不同的火焰对冲角度对火焰形态,燃烧温度以及CO和NOx排放量的影响。根据数值模拟结果,分析其燃烧特性和污染物排放特性随火焰对冲角度变化的规律,从而对该类燃烧器的优化设计提供指导。     

湍流旋流扩散性燃烧温度脉动的数值模拟

气体温度的脉动直接影响到湍流中的化学反应,基于气体焓脉动均方值输运方程,给出了一种计算气体温度脉动均方值的方法.采用此方法对旋流燃烧室内湍流扩散燃烧的温度脉动特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比.