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.     

大空间尺度下预燃室射流火焰发展历程的光学诊断和模拟研究

基于定容燃烧弹,在与大型低速预燃室式双燃料船机相似的空间和热力学条件下,采用相似的点火过程,对主燃烧室内的射流火焰发展和引燃预混火焰的扩展历程进行光学测试;提出一种基于全网格映射,分阶段采用不同的燃烧模型的方法模拟不同燃烧阶段的火焰发展过程。基于定容装置试验数据验证了模型对燃烧火焰扩展速度预测的适用性和准确性。研究结果表明：预燃室燃油喷射量直接影响射流火焰的最大贯穿距离和火焰强度;主燃烧室内的混合气需要达到一定浓度才能被引燃。对燃烧过程的模拟,第一阶段燃烧采用均质搅拌反应器（well-stirred reactor, WSR）模型可以较为准确地模拟不同燃油喷射量下的射流发展速度和火焰射流的最大贯穿距离;第二阶段燃烧采用G方程可以较为准确地模拟火焰在各方向上的扩展速度。采用Mapping方法连接的两个模型对燃烧两个阶段的火焰扩展的整体速度具有较高的预测精度。     

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．     

甲烷预混多喷嘴阵列燃烧器热声振荡模态实验研究

为研究燃气轮机模型燃烧室的非预混燃烧流场,采用大涡模拟方法分别结合火焰面生成流形模型（FGM）和部分预混稳态火焰面模型（PSFM）对甲烷/空气同轴射流非预混燃烧室开展了数值模拟研究,并与试验结果进行对比。结果表明：FGM所预测的速度分布、混合分数分布、燃烧产物及CO分布与试验结果更符合;两种模型均能捕捉到燃烧室中的火焰抬举现象;燃烧过程中的火焰结构较为复杂,同时存在预混燃烧区域和扩散燃烧区域,扩散燃烧主要分布在化学恰当比等值线附近,预混燃烧区域主要分布在贫油区。     

双旋流火焰不稳定性模态转换

采用DTF燃烧模型通过大涡模拟(LES)对本课题组设计的燃烧室中甲烷/空气贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性模态转换现象进行了研究．通过计算不同当量比的燃烧状况,在当量比渐增到0.9附近时,发现火焰结构出现明显变化,火焰模态从M型转换为V型．对此过程计算的数据进行后处理,分析其前后各自温度场,平均轴向、径向燃烧室内速度分布,取x分别为5 mm、15 mm、25 mm、40 mm、60 mm处轴向和径向脉动速度,采用Q准则方法,POD方法分析流场中的涡旋结构,从而分析其燃烧不稳定性和影响火焰结构的主要因素．发现模态转换前平均火焰为“M”型,转换后为“V”型,V型火焰是一种更为稳定的火焰结构,火焰模态的转换受内、外剪切层位置的直接影响并与涡脱落模式有重要关系．     

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。     

湍流射流火焰抬举高度的实验研究

湍流射流燃烧作为工业燃烧室中普遍存在的燃烧方式,研究湍流射流火焰不仅能促进实际燃烧室的设计改造,更能增强对湍流燃烧理论的理解。在轴对称伴流射流燃烧器实验平台上,研究了湍流自由射流火焰抬举高度随射流速度的变化及氮气稀释和伴流速度对火焰抬举高度的影响。实验结果表明湍流自由射流燃烧火焰抬举高度随射流速度呈线性增长;随氮气稀释摩尔分数的增加其抬举高度的线性斜率增大,射流火焰吹出喷嘴的雷诺数降低,火焰更易发生抬举;同时,氮气稀释摩尔分数的增加也导致射流火焰发生吹熄时雷诺数减小,射流火焰在射流速度完全进入湍流之前发生吹熄;伴流速度小于0.3 m/s时对火焰抬举高度的影响不大,当伴流速度大于0.3 m/s时抬举高度随伴流速度的增加呈线性增长,当射流速度大于20 m/s时,伴流速度的影响降低;对比伴流与稀释对抬举高度的影响可知射流速度大于30 m/s时对伴流的敏感性大于稀释,而在射流速度小于30 m/s时对稀释更敏感。     

预燃室氢射流火焰引燃氨预混气火焰发展及着火特性数值研究

基于计算流体平台CONVERGE，对化学当量比下H2射流火焰引燃NH3、空气预混气过程中射流火焰的发展历程、射流特性及主/预燃室物质场分布进行了数值仿真。结果表明：射流火焰发展历程可分为射流阶段、过渡阶段和热射流阶段三个阶段；射流火焰的前锋面移动距离的增长率受NH3火焰传播速度的制约而逐渐下降；随着射流引燃的进行，射流火焰温度场和物质浓度场呈现明显分层现象，NH2高浓度区经分离后分布在射流头部的NH3燃烧区及射流尾部的H2射流火焰区。     

CH_4/CO_2非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为了掌握含杂质生物沼气在工业燃烧装置中非预混射流火焰燃烧特性,对CH_4/CO_2非预混射流火焰在300 K和600 K伴流空气中的火焰形态、火焰高度以及推举高度进行了实验研究,并与CH_4/N_2非预混射流火焰燃烧特性进行对比.实验结果表明:在相同工况下,CH_4/CO_2火焰高度较低,但其推举高度高于CH_4/N_2火焰;两种火焰推举高度随伴流温度升高而降低.采用预混火焰模型对火焰推举高度进行了理论分析,得到了两种非预混火焰无量纲火焰推举高度与无量纲燃料流速的关联式.基于预混火焰模型的理论分析表明,预混气层流火焰速度及燃料和氧化剂密度比对非预混火焰的推举高度的影响较为显著.     

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.     

横射流预混燃烧的直接数值模拟研究

采用了直接数值模拟的方法对横射流预混燃烧进行了研究.乙烯/空气预混射流垂直进入高温产物组成的来流,射流当量比为0.6,动量比为8.7,模拟了流动和燃烧两个算例.本文探究了横射流速度场的特性及燃烧对流动的影响,发现燃烧使得流速衰减变慢,湍流耗散变快,射流轨迹更深入来流;同时在横射流火焰中验证了?CH2O?OH、?CH2O...     

湍流扩散火焰的大涡模拟及验证

对丙烷/空气射流扩散火焰进行了大涡模拟,并就截面流向速度无量纲分布、速度脉动无量纲分布、温度无量纲分布以及NOx生成与Sandia实验室测量数据进行了对比分析,得出大涡模拟方法可以较好地模拟湍流扩散火焰的结论.在此基础上对拟序结构与化学反应的相互影响以及雷诺数对各尺度的影响进行了研究,结果表明:在流场的起始阶段,燃烧对拟序结构的形成有促进作用;在发展阶段,燃烧对大涡拟序结构有削弱作用,却能使小涡的生成增加,从而增强了化学反应;大涡拟序结构的存在改变了各参数的分布;随着雷诺数的增大,各尺度横向脉动均变大,预测到的NOx减小,产生的最大值前移.     

体积力场对预混火焰面形状的影响

介绍了一种在燃烧场中产生大于1g体积力的实验系统,分析了影响体积力场的因素．利用实时摄像的方法,研究了在燃烧过程中体积力对预混火焰面形状的影响．结果表明,高温烟气在体积力场中的浮力效应,使火焰面向与体积力相反的方向弯曲、偏转．体积力增加将导致火焰面变形程度增加,并导致燃烧过程不稳定,以致发生熄火．气流的射流角不同,体积力对火焰面的影响效果不同,火焰面会发生弯曲、拉伸或压缩．当射流角为负值时,火焰容易发生吹熄．     

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.     

基于详细化学反应动力学的含颗粒甲烷/空气层流火焰模拟研究

本文基于含颗粒甲烷燃烧详细化学反应动力学机理Gri-Mech3.0,采用层流预混火焰速度计算模型计算了含颗粒甲烷空气层流预混燃烧过程。通过对比层流火焰燃烧速度曲线,分析了温度和当量比对燃烧速度的影响,且对计算结果进行敏感性分析。研究结果表明,颗粒存在降低了火焰的燃烧速度,且温度越高,燃烧速度降低的越明显,而燃烧速度变化量随当量比的增加则先增大后减小。     

基于快速压缩机的预燃室式射流点火试验

为分析预燃室式射流点火的燃烧过程,通过全燃烧场可视的快速压缩机(RCM),采用同步压力传感和高速摄影方法,对单孔内置式预燃室进行了变工况试验,并在相同条件下与传统火花点火对比,结果表明:预燃室式射流点火能够大幅促进点火,并加速燃烧.与传统火花点火相比,预燃室式射流点火的滞燃期缩短比例可达40%,以上,且随负荷增加而提高;明显燃烧期比典型火焰传播燃烧可缩短60%,至70%,.火花点火引起的火焰传播速度与负荷无明显关系,而射流火焰发展速度随负荷增加而提高,各负荷下均为火焰传播速度的15倍以上,最高速度超过50,m/s,垂直于射流喷射方向的火焰发展也快于火焰传播.射流火焰在主燃室内由近喷口处的细长火舌和远端由火舌发展而成的类柱状火焰组成.预燃室对其内部的初始火焰发展具有明显促进作用,其内部的平均火焰发展速度高于传统火花点火火焰传播速度的2倍.     

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。     

仲丁醇-空气预混层流燃烧速度的研究

基于定容燃烧弹,利用纹影法和球型火焰扩散法研究了不同燃空当量比、环境温度和环境压力下仲丁醇-空气预混层流燃烧速度.通过对仲丁醇-空气拉伸层流火焰传播速度与拉伸率之间关系的分析,获得了无拉伸火焰层流燃烧速度和马克斯坦长度.研究结果表明:随着环境压力的上升,仲丁醇-空气层流燃烧速度降低,马克斯坦长度降低,火焰不稳定性增加;随着环境温度的增加,无拉伸层流燃烧速度增加,马克斯坦长度减小,表明燃烧火焰不稳定性增加;随着燃空当量比的增加,马克斯坦长度减小,火焰不稳定性增加;燃空当量比Φ=1.1左右时,火焰传播速度和无拉伸层流燃烧速度达到最大值.     

应用图像处理技术进行预混层流火焰传播速度的在线测量

利用图像处理技术，根据层流预混火焰稳定燃烧的条件结合预混火焰燃烧模型，设计了火焰传播速度在线实时测量系统，通过图像采集在线获取火焰的静态图像，然后自动对图像进行滤波，边缘提取，再进行计算得到火焰传播前沿面积，在线算出火焰传播速度，这种方法具有非接触式测量的优点，利用它不仅可以测量层流预混火焰的传播速度，同时还为层流火焰的燃烧机理的研究提供一种直接的手段．     

稀燃条件下射流点火与火花点火的燃烧特性

结合快速压缩机与高速摄影,对比研究了稀燃条件下射流点火和火花点火的火焰发展与爆震过程,并采用CFD模拟了射流点火燃烧过程．结果表明：相较于火花点火,射流点火可以降低爆震强度并加快燃烧速度;但射流在喷射阶段可能会发生淬熄,在高压和低温条件下此现象更加显著．模拟计算结果表明,射流点火过程可划分为3个阶段：未燃气回流入射流室、未燃气和已燃气喷射入主燃室、已燃气回流入射流室．另外,火花塞电极与射流孔发生干涉时会造成射流不对称现象,这一现象在实验与模拟中均被观测到．