非预混湍流射流H2/N2扩散火焰中的局部熄火和再燃现象

为了提高燃烧室中燃料的利用率,避免火焰的全局熄火,对于熄火和再燃现象的研究是十分必要的.利用一维湍流(ODT)模型研究了非预混湍流射流火焰中的熄火和再燃现象.在固定雷诺数为10 000的情况下,对两个不同的火焰进行了模拟,这两个火焰具有不同的全局混合速率.熄火现象主要发生在近场区域.随着全局混合速率的增加,局部熄火的区域也随之增加.两个火焰的最大熄火区域分别为20%和62%.在熄火区域,主要污染物NO迅速减少.模拟结果显示熄火是一个快速的过程,而与之相对应的再燃过程则较为缓慢.     

微细圆管中的稳定火焰传播

研究了火焰在有壁面散热的微细圆管中的传播过程.流动马赫数很小时,假定流体满足理想气体状态方程,采用详细化学反应机理.火焰面形状由壁面散热和流场共同决定.壁面散热增大时会导致熄火.引入二维流场使维持火焰稳定传播的壁面散热范围扩大.计算结果表明,微细圆管燃烧器内较大的火焰面曲率能促进燃烧.     

微尺度细管内热损失对火焰动力学的影响

针对微尺度细管内火焰传播问题,通过数值模拟研究了点火能量和壁面热损失对火焰传播模式的影响.数值模拟中观察到熄火现象和低速稳定传播的火焰,但并未观察到爆燃向爆轰转变.在以二维管道高度和初始已燃区长度构成的坐标图中,低速稳定火焰传播模式呈现半岛形,具有上、下两个熄火极限,其中熄火下极限位于由初始点火区域面容比决定的双曲线上方．对于低速稳定火焰传播模式,火焰尖端的传播速度与层流火焰速度较为接近．火焰面前方的气体几乎静止,火焰面后方有一个回流区,已燃气体向闭口端运动．     

甲烷/空气预混射流火焰的大涡模拟

在不同射流速度条件下,对甲烷/空气预混射流火焰进行了大涡模拟.甲烷/空气预混射流气体按化学当量比混合,计算采用两步简化反应机理和WALE亚格子湍流输运模型,3个算例下流场特征和火焰结构计算结果与前人实验结果一致,中心线轴向速度和温度场结果与实验数据相符.通过对不同Karlovitz数条件下甲烷/空气预混射流火焰结构进行分析,并计算Takeno指数,研究了湍流涡对预混火焰的影响.研究发现:在Ka100(Ka=37)条件下,预混射流火焰会出现预热区的增厚,放热区保持完整,湍流火焰保持为预混燃烧;在Ka100(Ka=112)条件下,湍流火焰进入分布反应区模式.Takeno指数显示,由于卷吸和小尺度涡的作用,湍流火焰出现局部的部分预混燃烧.甲烷/空气预混射流湍流火焰的大涡模拟证实了湍流火焰分布反应区模式的特点:未燃气体与燃后气体之间不再有明显的界面,火焰面模型不再适用;反应区增厚,放热区展宽,放热率降低;由于卷吸和小尺度涡对火焰的作用,湍流火焰局部出现部分预混燃烧;湍流火焰温度降低,放热区附近温度场趋向均匀.     

钝体驻定湍流扩散火焰局部熄火的PDF模拟

用标量联合的概率密度函数(PDF)方法对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM3进行数值模拟,速度场用一个修正的LRR-IP雷诺应力模型求解.采用3种不同层次的甲烷反应动力学机理对火焰的宏观结构和熄火特征进行比较研究,并结合当地自适应建表方法加速化学反应计算.结果表明,计算值和实验数据吻合较好,在回流区内,不同反应机理的预测值差别不大,但在"颈部"区域,C2机理相对C1机理可以更准确地模拟标量场的变化和局部熄火现象.     

高压甲烷射流对层流火焰作用的试验

高压气体燃料射流与引燃的层流火焰间的相互作用决定了天然气直喷发动机的着火稳定性．在定容燃烧弹中,用点火针点燃预混甲烷形成层流火焰,并在不同火焰半径时刻进行高压甲烷射流．采用高速纹影法测试了甲烷不同喷射延时τ对预混层流火焰的影响．结果表明：甲烷喷射延时τ决定了预混层流火焰等效半径R的发展,随着τ增大,预混层流火焰等效半径R增大;射流对层流火焰发展的影响与其作用于层流火焰时火焰等效半径有关,存在一个临界火焰等效半径R₀,当R0时,射流吹熄火焰;R=R₀时,甲烷射流吹熄预混层流火焰后仍可被引燃,火焰传播速度加快;R>R₀时,甲烷射流更容易引燃成湍流燃烧火焰,同时预混火焰未受射流干扰区域仍旧保持层流火焰,此时层流火焰、湍流燃烧火焰并存,火焰传播速度加快．     

基于PLIF测试技术的壁面附近火焰OH自由基行为的研究

本研究利用OH-PLIF技术在狭缝火焰实验台上测量不同壁面条件下壁面附近处火焰OH浓度分布情况,分析了贴壁处自由基浓度的变化趋势。实验结果表明,随着壁面温度的升高及两测试板间距的减小,贴壁处的OH浓度下降趋势顺序分别为：不锈钢、硅以及氧化锆陶瓷,这主要是因为不同材料对OH消耗速度不同。对比三种材料的熄火距离,可以发现壁面附近OH浓度下降趋势越快,火焰越不稳定,熄火距离越大。壁面附近的OH浓度下降趋势是决定熄火间距的关键因素。     

基于PLIF技术测试壁面附近处火焰中OH自由基活性分布的研究

利用OH-PLIF技术在狭缝火焰实验台上测量不同壁面条件下壁面附近处火焰中OH浓度分布情况,分析了贴壁处自由基浓度的变化趋势。实验结果表明:随着壁面温度的升高及两测试板间距的减小,贴壁处的OH浓度下降趋势顺序分别为:不锈钢、硅以及氧化锆陶瓷,这主要是因为不同材料对OH消耗速度不同。对比3种材料的熄火间距,可以发现壁面附近OH浓度下降趋势越快,火焰越不稳定,熄火距离越大。壁面附近的OH浓度下降趋势是决定熄火间距的关键因素。     

湍流预混对冲火焰结构及熄火特性试验研究

利用激光层析技术和数字图像处理技术对对冲方式下湍流预混火焰的结构及熄火特性进行了试验研究。采用PIV方法测量了冷态对冲面附近的速度场，获得了速度作为衡量流场对锋面燃烧影响的参数。在不同射流工况配置下（Reynolds数，全局应变率，燃料的化学混合当量，不对称动量），观察到随着湍流对冲强度的提高，在高度皱褶的火焰锋面上存在非连续突触和空洞，这是局部熄火的表现，这些局部熄火点影响的扩展会导致火焰的整体熄火。此观点通过局部火焰锋面曲率的概率统计分析得到支持。另外，获得的在火焰熄火的极限条件下，对实际燃烧器的设计有指导意义。     

湍流预混火焰熄灭特性的实验研究

采用对冲火焰实验系统对贫燃料甲烷/空气湍流火焰发生熄灭的极限条件进行考察,分析了平均流场拉伸和湍流拉伸对火焰熄灭的影响.实验结果表明,随着甲烷/空气火焰当量比的增大,其熄灭时的射流平均速度以及平均拉伸率随之增大,说明平均拉伸对火焰熄灭极限有显著影响.当量比增大时,湍流极限拉伸率和Karlovitz拉伸参数Ka均增大,这与前人的实验结果一致,但由于平均拉伸的影响,当量比一定时,Ka的数值比文献数据偏小.根据实验数据,文中对湍流预混火焰熄灭的机制进行了探讨.     

壁面材料对微火焰熄火影响的实验研究

采用了两平行测试板间狭缝燃烧器产生的甲烷/空气预混火焰来考察材料对微火焰熄火的影响。实验结果表明,熄火距离与材料有关,同时随着壁面温度的升高而减小。燃烧前后测试材料的表面结构以及组成采用了X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)进行分析,结果表明不同材料的表面化学吸附氧的比例从高到低排列顺序为氧化锆陶瓷、硅片以及304不锈钢,这3种材料的熄火距离从小到大排列顺序分别为氧化锆陶瓷、硅片和304不锈钢,两者变化趋势一致。表面化学吸附氧对化学熄火起到重要作用,在相同的壁面温度下,材料表面的化学吸附氧越少,化学熄火作用越显著。实验还发现,表面粗糙度会影响材料表面的吸附特性而产生不同的化学熄火特性。     

甲烷瞬态火焰与壁面油膜相互作用的实验观测

针对甲烷扩散火焰-壁面相互作用过程,设计了可生成瞬态火焰的焰-壁作用可视化实验装置,利用纹影法与高速相机研究了不同壁面条件下甲烷瞬态火焰撞壁过程火焰形貌的发展演化过程,基于MATLAB数值方法发展了数字图像分割处理技术,并对纹影图像展开了定量分析.基于撞壁瞬间火焰羟基(OH·)活性自由基发光特性考察了油膜对火焰燃烧强度...     

稀释燃烧的火焰稳定性

采用实验研究的方法探讨了反应物预热温度与稀释率两个因素对稀释燃烧火焰稳定性的影响.实验以氮气稀释的甲烷-空气对冲扩散火焰为研究对象,确定了不同反应物预热温度与氧化剂稀释率(氧气体积分数)时火焰的熄火极限,结果表明,增大反应物预热温度拓宽了火焰稳定燃烧区域,而增加氧化剂稀释率(降低氧气体积分数)会降低稀释火焰的稳定性,二者对火焰稳定性的影响作用相反.为了进一步分析反应物预热温度与稀释率对火焰稳定性的影响程度,引入了估算的Damkohler数,分析表明,在实验研究范围内,反应物预热温度对火焰稳定性的影响比稀释率的影响显著,是火焰稳定性的主要影响因素.     

湍流预混燃烧的小火焰模型

由Level set方法确定湍流预混燃烧火焰面的位置,考虑CHEMKIN库详细化学反应机理,通过PDF方法建立湍流预混燃烧数学模型,计算组分浓度和温度在火焰内部分布。以矩形突扩燃烧室为例,模拟甲烷/空气预混燃烧的平均火焰位置和火焰内部温度、浓度分布,计算结果与实验结果吻合良好,表明此模型能较好模拟湍流预混燃烧。     

基于动态增厚火焰模型三维全可压缩非预混燃烧的大涡摸拟

利用动态增厚火焰模型对斯坦福大学甲烷/空气燃烧器非预混火焰进行了三维全可压缩大涡模拟,其中湍流亚网格模型采用Smagorinsky-WALE 模型,反应机理采用甲烷四步简化机理.将计算结果与层流小火焰模型及实验值进行比较发现:在进口附近的区域,动态增厚火焰模型的预测结果与实验非常吻合,但在远离进口区域,预测的混合作用大于实验值;动态增厚火焰模型的预测效果与层流小火焰模型相当.     

采用考虑详细化学反应机理的火焰面模型模拟湍流扩散火焰

采用详细的甲烷氧化化学反应动力学机理(GRI-Mech3．0)对不同拉伸率条件下的拉伸层流扩散火焰面结构进行了数值计算，建立了一个包含一系列拉伸层流火焰面结构的火焰面数据库．将这些层流火焰面结构和美国Sandia国家实验室测得的湍流扩散火焰(FlameD)的平均火焰结构进行了对比，发现层流火焰面所覆盖的范围基本包含了所考虑的湍流火焰中不同位置的平均火焰结构，这表明火焰面模型是合理的．然后，采用火焰面模型对该湍流扩散火焰进行了数值模拟并和实验数据进行了比较，考察了火焰面模型的精确程度和模拟深度.     

湍流状态下双燃料混合物自燃和火焰传播过程

采用直接数值模拟(DNS)方法,研究了低速机缸内热力学状态下甲烷/正庚烷混合物的着火及燃烧过程,分析了湍流状态下双燃料混合层中的着火特性及火焰发展过程．结果表明：第一阶段着火后,湍流作用下混合气偏浓区域生成冷焰;第二阶段着火后,甲烷/空气预混气侧生成多个高温膨胀核心．混合分数梯度平缓区域更易生成高温核心,而混合分数梯度较大时会增大标量耗散率、加强热量和活性基团的耗散,不利于燃烧反应的稳定发展．湍流作用下火焰前沿形成褶皱向两侧传播,热膨胀核心位置的火焰前沿传播较快．甲烷/空气预混气侧含氧量增加导致火焰前沿传播加快,前沿褶皱程度逐渐降低;正庚烷侧火焰前沿在传播下游存在冷焰反应区域,形成“双火焰”结构,随着反应进行,火焰前沿传播进入更浓的混合物中,双火焰面之间的距离逐渐缩短．     

七棒束内超临界流体流动传热的数值分析

在7棒束内超临界氟利昂流体传热试验数据的基础上,采用ω类湍流模型SST和RSO以及ε类湍流模型RNG和SSG对三组典型工况进行了数值计算.结果表明:近壁面区域采用低雷诺数模型处理的ω类模型能定性捕捉到壁面的局部传热弱化现象,而壁面函数法的处理方式不能预测到此类现象;受7棒束非对称热边界条件和强浮力的影响,棒束不同通道内流率分布存在强烈的不均匀性,中心棒和周边加热棒的传热特性存在显著差异.为了准确预测棒束内超临界流体的传热特性特别是典型传热弱化现象,应重点完善湍流模型的近壁面区域处理方式.     

基于高速双视角图像SVD匹配的湍流预混火焰面三维扩散速度场的重建

提出了基于双视角立体镜头的火焰面三维扩散速度场的重建方法.该方法首先利用立体镜头,通过单个高速CCD靶面同时获取两个不同角度的火焰图像,然后通过标定得到相机参数,最后通过基于矢量奇异值分解(SVD)的图像匹配算法,重建得到火焰面三维坐标及扩散速度.通过试验重建了不同工况下的甲烷预混火焰面三维结构及其扩散速度.计算结果表明,双视角三维重建方法可以用于湍流火焰面三维扩散速度场的定量分析.     

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.