非均匀入流部分预混射流火焰的大涡模拟

针对部分预混火焰的大涡模拟(LES)问题,通过采用基于反应-扩散流形(REDIM)方法和假定滤波概率密度函数(PFDF)构造的REDIM-PFDF亚网格燃烧模型,对悉尼大学及Sandia实验室联合测量的非均匀射流部分预混火焰(FJ200-5GP-Lr75-57)进行了大涡模拟研究.随后对该状态的火焰及流场结构进行了分析,并将计算结果与实验数据进行对比,研究表明,在所研究的部分预混火焰工况下,大涡模拟预测得到的温度、CO2、CO等组分与实验值吻合良好.这也进一步验证了REDIM-PFDF模型在计算部分预混燃烧方面的能力.     

预混火焰不稳定性的大涡模拟

在湍流燃烧大涡模拟的基础上,利用气动声学FW-H方程对甲烷,空气预混火焰的不稳定性进行了数值分析.局部化学当量比的周期性波动,造成燃烧室内出现周期性的压力振荡,随着化学当量比的增大或减小,压力振荡幅值均有所提高;贫氧工况下,压力振荡的频率较低,贫燃工况下,压力振荡频率较高.燃烧室内同时存在周期性的温度振荡和速度脉动;压力振荡与速度脉动趋于同频、同相,而温度振荡在相位上稍有提前.流向涡涡量分布呈现周期性变化趋势,相对而言,贫氧工况下,流向涡涡量较小、涡团尺度较大;贫燃工况下,流向涡涡量较大、涡团尺度较小.     

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。     

基于CO-DAC反应机理简化的非预混射流火焰的大涡模拟

为了研究自相关自适应化学(CO-DAC)在湍流燃烧中的特性,计算了湍流非预混射流火焰Sandia FlameD的大涡模拟,使用了GRI-Mech 3.0详细化学反应机理以及CO-DAC简化方法.计算结果与实验值的对比表明,使用详细化学反应机理和CO-DAC机理简化,可以有效捕捉湍流火焰瞬时结构;可以根据燃烧场的特性,自适应地减少化学反应计算量,有效提高计算速度;可以准确模拟火焰的速度、温度分布特性;可以准确模拟火焰中重要中间组分和自由基的组分分布.     

高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化

基于CONVERGE软件开展三维仿真计算,分析了定容燃烧弹内高压甲烷射流撞击当量比为1的预混气体燃烧过程中的涡量变化特征．根据射流前锋面与火焰的位置关系,将火焰发展全过程分为射流前峰面未接触火焰阶段、进入火焰阶段和离开火焰阶段3个阶段．相比于自由射流贯穿速度,在射流进入火焰阶段射流燃烧平均贯穿速度显著增加,并大于自由射流的贯穿速度和预混燃烧速度之和．产生此结果的原因是此阶段动量参数涡量的大幅增加;在轴向距离为40 mm处、火焰发展时间为1.6 ms时,射流燃烧模式平均涡量值与自由射流模式差值最大,约为260 s-1,是此时此截面预混燃烧模式平均涡量值6 s-1的43倍．     

基于动态增厚模型的甲烷/空气预混旋流燃烧回火大涡模拟

基于动态增厚模型大涡模拟,耦合甲烷两步化学反应机理对甲烷预混火焰在德克萨斯大学旋流燃烧器中的回火过程进行模拟研究．分别采用绝热边界条件及考虑热损失边界条件对回火过程进行模拟,对比两种边界条件下的回火热释放及回火速度可以发现,考虑热损失后回火速度更接近实验值．回火过程中火焰面会形成火舌结构,火舌顺着预混段内流场方向作周向运动,同时沿着中心体壁面向上游传播．而当边界层回火占主导时,火舌顶端周向运动不明显．     

甲烷/空气湍流射流扩散火焰的化学动力学模拟

利用几率密度函数方法求解标量场及用统计矩方法求解流场相结合的手段，对甲烷／空气湍流射流扩散火焰结构进行了计算模拟，其中，考虑了从简化到详细的三种不同规模的甲烷氧化反应动力学机理．计算结果与已有的实验结果进行了比较和分析，表明该模型可以很好地预测流场变化．在预测主要组分和温度时，三种机理具有相同的效果，在预测小浓度组分时，详细机理具有更好的效果．此外，简化机理能够极大地缩短计算时间，因而在工程应用中有着巨大的潜力．     

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。     

水雾作用下甲烷/空气预混火焰的光谱特性

利用中阶梯光栅光谱仪,对甲烷,空气层流预混火焰以及水雾作用过程中的火焰发射光谱特性进行了实验研究,对比分析了水雾对预混火焰燃烧过程中自由基离子发射光谱的影响,探讨了水雾抑制甲烷燃烧过程中的化学作用机理.结果表明,火焰阵面OH*、CH*自由基离子发射光谱强度随着火焰阵面水雾载荷比的增大而减小;足量的水雾作用可抑制预混火焰中OH*、CH*和HCO*等链引发自由基的生成,增强甲烷燃烧链式反应中的三体反应过程,促进甲烷预混火焰的链销基反应的发生,在抑制甲烷预混火焰燃烧过程中起重要作用.     

部分预混旋流火焰不稳定燃烧的大涡模拟

针对燃气轮机燃烧室内甲烷/空气预混旋流火焰的燃烧不稳定问题进行了大涡模拟。采用两步化学反应机理和有限速率反应模型模拟湍流燃烧,选取WALE(壁面自适应局部)涡粘模型作为亚网格湍流模型。大涡模拟结果表明:燃烧室内的压力、速度、组份和热释放率均发生了明显的周期性波动,且波动的频率一致。燃烧室内燃烧的振荡主频率为517 Hz,压力波动相对幅值为2.9%。在不稳定燃烧过程中喷嘴发生周期性回火。外剪切层附近旋涡产生、脱落引起的非稳定热释放以及热释放对流场的反馈作用是引起不稳定燃烧的主要原因。     

添加氢气的甲烷/空气预混火焰结构的数值预测

针对添加氢气的甲烷/空气预混火焰的重要特性进行了计算研究.不同含氢比、稀释比以及不同当量比下的绝热燃烧速率模拟结果与目前国际上相关的研究结果相吻合.从稀燃到等当量比范围,采用的模型较好地重构了NO浓度变化,但在浓混合气时,预测结果与Coppens等的研究结果不同.计算结果表明,添加氢气对炭黑生成无明显的作用;同时,以反向对称双火焰为模拟背景,计算获得了不同含氢比下的熄火拉伸率和对应的燃烧温度,证明了添加氢气可以增强稀薄燃烧的稳定性以及扩大稀燃极限.     

甲烷-空气预混火焰稳定特性的实验研究

基于本生灯实验,测试分析了甲烷-空气预混火焰的稳定燃烧特性。试验研究了预混气体火焰闪回和吹熄极限随燃空当量比的变化关系。研究发现,甲烷-空气混合气体的闪回极限的最大值出现在接近化学当量比处,并且呈现出类似抛物线的变化规律;而火焰的吹熄极限随着当量比的增加而逐渐增大。试验通过采用13 mm和11 mm两种不同口径的本生灯,研究了本生灯孔径对甲烷-空气预混火焰的稳定燃烧区间的影响关系,实验证明,随着孔径的增大,闪回极限将会减小,而吹熄极限随之增大。通过实验获取这些参数,能够为设计和优化燃烧系统提供理论支撑。     

强旋流环形通道甲烷/空气回火特征大涡模拟研究

采用LES(大涡模拟)方法对强旋流环形通道入口速度突变后的回火特征进行了探究。通过模拟值和实验值的对比,验证了所用的大涡模拟方法。基于此模拟方法,研究了不同的旋流数下入口轴向流速突然降低,速度突变诱导的回火特性。研究表明,不同旋流数下都会出现核心区回火现象,而旋流数加倍的工况下核心区回火过程结束后还会出现燃烧诱导涡破碎回火现象。     

半封闭狭窄通道内甲烷/空气预混火焰传播不稳定性实验研究

针对贫油预混预蒸发燃烧室主燃级中横喷液雾现象进行研究,综合考虑RP-3航空煤油横喷液雾的雾化、蒸发和自燃过程构建自燃预测模型,基于CH基团随时间的变化规律对自燃延迟时间进行预测。结合试验测试结果对模型进行校验,并进一步分析温度、压力、流速、射流动量比等变量对自燃延迟时间的影响规律。结果表明：对于直射式喷嘴形成的横喷液雾,其下游的油气分布主要受射流动量比和流动速度的影响,射流动量比决定了液雾的总体油气比,流动速度则主要影响液滴的粒径及其蒸发时间;随着压力、射流动量比及气流速度的增加,自燃延迟时间均会缩短,相比于预混燃料液雾的自燃延迟时间受负温度效应的影响较弱。     

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．     

大分子碳氢燃料预混射流火焰的化学反应器模拟

针对大分子碳氢燃料预混射流火焰进行模拟,建立一个基于化学反应器网络(CRN)的快速预测模型,对不同工况的大分子碳氢燃料预混射流火焰进行快速模拟.通过对3种(正庚烷、正癸烷、正十二烷)燃料在进口流量0.268～0.343 g/s,当量比0.8～1.2,混合气进口温度380～500 K下的射流火焰进行计算流体力学方法(CF...     

部分预混旋流燃烧的大涡模拟

采用耦合涡耗散概念模型的大涡模拟方法,探究了Re和组分变化对部分预混旋流火焰动力学特性的影响。通过与实验结果定性和定量的比较,验证了大涡程序模拟燃烧过程的可靠性。计算结果显示Re的增加,会明显提高空-燃混合效率,从而导致部分预混火焰中预混燃烧模式的比例有所增加,且预混燃烧区域向上游移动,Re的增加也会使得火焰下游产生更多更快的涡破碎结构。N_2含量的增加,会减小流向回流区尺寸,降低空-燃混合效率,但对减小火焰温度具有明显效果,从而对降低NO_x排放产生积极作用。结论为进一步研究部分预混旋流燃烧室的不稳定性及燃烧效率提供了理论和方法上的指导。     

甲烷/空气扩散火焰面位置确定的数值模拟研究

以甲烷/空气的湍流射流扩散燃烧为基础,利用-双方程模型和混合分数方程模型的耦合,依据湍流扩散燃烧中整个区域的混合分数场,给出火焰面形状尺度随过量空气系数的变化规律。模拟结果表明混合分数方程确定火焰面的位置是行之有效的方法。     

甲烷/空气扩散火焰面位置确定的数值模拟研究

以甲烷／空气的湍流射流扩散燃烧为基础。利用k-ε双方程模型和混合分数方程模型的耦合。依据湍流扩散燃烧中整个区域的混合分数场，给出火焰面形状、尺度随过量空气系数的变化规律。模拟结果表明混合分数方程确定火焰面的位置是行之有效的方法。