液雾燃烧的全尺度直接数值模拟

针对雾化燃烧的模拟精度受雾化模型影响较大的问题,发展了一种适用于液雾燃烧的全尺度直接数值模拟方法,不需要采用雾化模型,而是直接求解雾化、蒸发和燃烧过程,其模拟的可靠性在Stefan问题和液滴燃烧两个算例中得到了检验验证.结果表明:模拟结果与理论值和实验值吻合.该方法为下一步液雾湍流燃烧的高精度全尺度直接数值模拟研究提供了数值基础.     

煤液化油的蒸发与着火特性

采用挂滴方法实验研究了高温氧化环境下的单液滴煤液化油的蒸发和着火特性,并与煤油、柴油进行了对比.采用热电偶测量液滴和液滴附近的气相温度随时间的变化历程,从而得到液滴的蒸发时间和着火时间,环境温度分别为700,℃、770,℃和820,℃,选择了4种液滴直径:1.1,mm、1.24,mm、1.42,mm和1.56,mm.实验结果表明,随着环境温度的升高,蒸发时间和着火延迟时间缩短,直径的增加会导致蒸发时间和着火延迟时间变长,与煤油和柴油的对比实验表明,煤液化油的蒸发特性介于煤油和柴油之间.煤液化油的着火延迟时间比柴油的着火延迟时间短.     

关于喷雾流动蒸发燃烧的数值模拟研究

采用欧拉气相方程和拉格朗日液滴方程,同时耦合化学反应,对喷雾流动、蒸发、燃烧进行模拟,分析了喷雾液滴的分布、液滴贯穿距离、索特平均直径、放热率等。通过与试验结果的对比表明:计算能很好地预测蒸发和非蒸发喷雾的油滴贯穿距离以及燃料蒸气的贯穿距离;高温高压下喷雾的自燃着火,燃烧迅速扩散。对计算结果的分析表明:高温高压下容易产生二次破裂;在火焰前锋附近,局部放热量大,产生了预混燃烧,而喷雾液核区域的燃油燃烧是由湍流扩散控制的。     

生物乙醇喷雾蒸发和预混过程的数值模拟研究

基于生物乙醇燃料的贫燃预混、预蒸发燃烧技术(Lean Premixed Pervaporation,LPP),采用数值模拟方法,研究了预混室内生物乙醇雾化蒸发流场,分析了预热空气温度为500、600和1 000 K以及旋流数为0.47、0.8和1.41时的生物乙醇蒸发和气体混合特性的规律。研究表明:在LPP预混室旋流流场中,中心回流区宽度随预混室距离的增加先增大后减小,并且会受喷雾射流的影响拉伸变长,中心回流区随旋流强度的增大更贴近喷雾出口,角回流区的长度随旋流强度增大而缩短直至消失,旋流强度对液雾整体蒸发速率影响不大,但会影响液雾分布;进气温度增加会增大进气速度,提高液滴蒸发速率,缩短液雾炬长度;液滴蒸发过程存在一定程度上的压力振荡,会对LPP不稳定燃烧过程产生一定影响。     

双燃料内燃机引燃油混合气形成与燃烧过程模型研究

对于双燃料发动机，引燃油蒸发、混合与燃烧是在天然气与空气混合物为介质的情况下，通过采用离散液滴模型，模拟了引燃油的蒸发与混合过程；采用经过修正的Shell模型，对引燃油的着火过程进行了数值模拟；以阿伦纽斯公式为基础，综合湍流对化学动力学的影响，提出了一个新的燃烧模型．经过模拟计算与实验对比，验证了该数值模型的模拟效果．     

不考虑液相化学反应的苄基叠氮复合柴油液滴蒸发特性仿真

为研究物性参数差异对苄基叠氮复合柴油液滴蒸发特性的影响,选择正十六烷作为柴油的替代物,在不考虑液相化学反应的前提下构建了苄基叠氮-正十六烷多组分液滴蒸发模型.然后利用该模型分析了液滴的蒸发过程,研究了苄基叠氮质量分数和环境温度对液滴蒸发过程的影响.结果表明,苄基叠氮-正十六烷液滴蒸发可分为瞬态加热阶段、混合蒸发阶段和平衡蒸发阶段.苄基叠氮由于其相对正十六烷较高的饱和蒸气压、较小的定压比热容以及较大的蒸气相扩散系数,因而具有较快的蒸发特性.随着苄基叠氮质量分数的增加,液滴蒸发速率不断提高;随着环境温度的升高,液滴升温速率不断增大,平衡蒸发温度不断升高,液滴蒸发速率不断增大,但是这一变化趋势并不与温度呈线性关系.     

乙醇基纳米流体燃料液滴着火燃烧研究

采用挂滴法研究了在高温条件下纳米铝粉质量分数及粒径对乙醇基纳米流体燃料液滴着火特性及燃烧过程的影响.研究结果表明,与乙醇燃料相比,添加50,nm铝粉质量分数为0.5%,和2.5%,的乙醇基纳米流体燃料液滴的着火延迟时间分别降低了0.315,s和0.525,s,着火温度分别降低了12.712,℃和42.214,℃.增大纳米铝粉粒径至100,nm,当添加的铝粉质量分数为2.5%,时,其液滴着火延迟时间比乙醇降低了0.42,s,两种粒径的纳米流体燃料着火温度相近.乙醇及乙醇基纳米流体燃料液滴燃烧火焰分为3个阶段:着火燃烧阶段、火焰熄灭阶段和二次燃烧阶段.随纳米铝粉含量增加,在二次燃烧阶段纳米流体燃料液滴火焰亮点增多,火焰燃烧剧烈,其中含50,nm铝粉的纳米流体燃料比含100,nm铝粉的纳米流体燃料燃烧剧烈.     

亚/超临界环境下碳氢燃料液滴的蒸发与燃烧特性

采用挂滴法对正常重力下处于亚/超临界压力环境中的不同碳氢燃料液滴蒸发与燃烧现象做了详细的试验研究.采用嵌入液滴内部的热电偶和高速相机分别记录液滴温度变化和液滴发展图像.结果表明:在亚临界压力环境下,液滴燃烧过程具有平衡蒸发阶段,符合准定常假设,但在超临界压力环境下,液滴燃烧过程不再出现平衡蒸发阶段,准定常假设已不成立;液滴燃烧持续时间在亚临界状态下随着压力的增加而迅速减小,此时相平衡控制液滴燃烧速率的大小,但在超临界状态下,液滴与环境气体之间的界面变得模糊不清,燃烧持续时间随着环境压力的增加不再继续减小,而是趋于一稳定值,此时液滴已不存在相变过程,扩散系数开始影响燃烧速率;燃烧持续时间变化趋势在临界压力处的转变反映出临界压力点是判断液滴是否进入超临界燃烧的重要依据,液滴燃烧过程中液滴完全蒸发所占的时间比重在亚临界压力环境下变化不大,而在超临界压力环境下迅速减小,相对更早地完成液滴蒸发.     

柴油-生物柴油混合喷雾过程的多组分蒸发模拟

针对多组分混合燃料的喷雾过程研究了相应的液滴蒸发模型,着重于研究混合燃料的组分对其液滴蒸发特性的影响.对柴油-生物柴油混合燃料的液滴蒸发模拟,依据燃料本身的特点,分别采用连续热力学方法和离散组分法描述其中柴油和生物柴油的组成.利用所得模型,对单组分燃料、双组分燃料以及生物柴油的液滴进行了蒸发模拟,通过将液滴蒸发历史曲线与试验结果对比,发现对于这些燃料液滴的蒸发模拟结果与相应试验数据很好地吻合,证实了此混合燃料液滴蒸发模型的正确性.此外,还着重对柴油-生物柴油的混合燃料的液滴进行了蒸发模拟研究,探讨混合燃料成分对其液滴蒸发特性的影响.结果表明:轻质柴油组分在蒸发过程中优先蒸发,而相对重质的柴油组分的蒸发则相对滞后,生物柴油在混合燃料中的质量分数则在液滴蒸发过程中不断增加,随着重质组分在柴油中所占比例达到一定程度之后,生物柴油的质量分数则开始迅速减小.     

基于TPDF方法正庚烷喷雾燃烧特性模拟

采用输运概率密度函数模型(TPDF)开展了不同初始环境温度、氧体积分数下正庚烷喷雾火焰发展过程模拟研究.以发动机燃烧网络(ECN)试验数据为基准,首先将模拟得到的着火延迟期和火焰浮升长度与均质反应器模型(WSR)模拟结果以及试验结果进行对照,发现氧体积分数较低时,由于TPDF模型能够对小尺度上组分和温度的湍流波动进行精确求解,可获得准确的燃烧特征量.然后基于TPDF方法,系统分析和对比了不同初始环境条件下准稳态火焰结构以及火焰发展过程的燃烧特征,发现在不同的初始温度和氧体积分数条件下,着火均首先出现在浓混合气区域.降低初始环境温度,高当量比区域反应活性下降,导致着火推迟,燃油与空气有更长的时间进行混合;降低温度的同时降低氧体积分数,则导致着火进一步推迟,油、气混合更为充分.着火位置混合气的浓度较高温、高氧体积分数条件有所降低,燃烧消耗了本来就不足的氧气,导致高当量比区域更难发生反应.     

三组元发动机氢的质量分数对燃烧流场影响的数值研究

用三维湍流N—S方程以及颗粒轨道模型描述气氢／煤油／液氧三组元发动机内部喷雾两相湍流燃烧过程。气相化学反应速率由Arrhenius公式计算。采用19步详细反应动力学模型来描述氢氧反应，三步总包反应模型来描述煤油与氧反应。通过耦合求解气液两相流模型方程，得到了三组元发动机的燃烧流场，并与热试结果进行了比较验证。同时分析比较了增加氢的质量分数三组元工况以及只有煤油／液氧的两组元工况下的不同流场特性。研究结果表明，在煤油燃料中增加适量的氢有利于缩短煤油液滴蒸发距离，提高燃烧性能。     

湍流对着火模式影响的可视化试验

基于快压机试验装置,结合高速摄影技术和瞬态缸内压力测试方法,开展了湍流条件下大分子碳氢燃料的自着火特性可视化研究.通过对比层流工况下自着火特性,获得了不同热力学条件下湍流运动对着火模式的影响规律.研究发现:层流工况下,初始温度不变而提高初始压力可依次观测到弱着火、混合着火和强着火模式;而在湍流工况下,尽管存在二次自着火现象,但只观测到弱着火模式;随着初始温度、压力进一步提升,后续自着火现象增多,诱发爆燃向爆轰转变(DDT)的混合着火模式.这反映出湍流运动和热力学状态耦合作用对自着火现象及着火模式的重要影响.此外,高温、高压湍流条件下一旦出现DDT现象,可能会导致更为强烈冲击波和压力振荡.该研究对于先进发动机燃烧系统优化、燃烧不稳定性及爆震调控具有重要现实指导意义.     

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．     

快速降压环境下盐水液滴蒸发过程的传热传质研究

采用VOF（Volume of Fluid）自由表面捕捉方法对盐水液滴蒸发过程中气液界面进行追踪,建立了降压环境下单个盐水液滴的蒸发模型,并通过盐水液滴蒸发的实验数据验证了此模型。通过对盐水液滴在相变过程中的形态变化以及传热传质特性的分析,研究了液滴内部温度、速度、蒸汽分布以及液滴形态等随时间的变化情况,分析了影响盐水液滴降压蒸发过程的主要因素。结果表明：在降压蒸发过程中液滴形态变化和环境中蒸汽的分布会随速度场的变化而变化;蒸发过程中初始盐组分质量浓度越大的液滴蒸发速率越缓慢,最终能达到的液滴最低中心温度越高,且液滴中心温度回升速度越慢、回升时间也越晚;液滴初始温度对蒸发速率影响较大,初始温度越高,表面蒸发速率越快,液滴中心温度回升速度越快。     

苄基叠氮对复合柴油液滴燃烧特性的影响

为了探明苄基叠氮复合柴油实现快速燃烧的根本原因,利用飞滴试验装置研究了不同配比的苄基叠氮复合柴油液滴的燃烧特性,并对比分析了环境氧体积分数对30%苄基叠氮复合柴油液滴燃烧特性的影响.结果表明:苄基叠氮化合物液滴在中后期出现了明显的变形和破碎,表明液相化学反应使液滴发生了微爆.微爆的发生显著提高了液滴的燃烧速率.随着苄基叠氮配比的增加,苄基叠氮复合柴油液滴燃烧速率提高,滞燃期缩短,液滴燃烧时间增加.而且液滴燃烧火焰形态由"尾部型"逐渐向"全包型"过渡,表明有更多碳烟生成.随着环境氧体积分数的提高,液滴滞燃期缩短,液滴燃烧时间大幅度增长,燃烧更加完全.     

脱硫废水在烟道中蒸发运动特性的数值研究

为了研究锅炉尾部烟道中脱硫废水的蒸发运动特性,建立了雾化液滴在烟气中蒸发和扩散的数学模型,利用数值模拟方法研究了脱硫废水雾化液滴在烟气中的蒸发过程,得到了蒸发过程中液滴平均粒径和蒸发距离等参数的变化规律,并比较了烟气和液滴性质对蒸发过程的影响.结果 表明:液滴完全蒸发时间随烟气温度升高、流速增大、水蒸气质量分数降低、液...     

高喷射压力下柴油喷雾燃烧的试验及仿真

在定容弹中对高喷射压力下柴油喷雾着火燃烧开展试验及仿真,对不同喷射压力下喷雾蒸发过程及高压下柴油喷雾着火燃烧过程进行分析。结果表明：喷射压力越高,喷雾贯穿距越长,蒸发率更快,达到完全蒸发的时间越短。燃烧过程的仿真结果表明：喷雾着火呈现明显的双阶段特性,CH₂O质量分数和OH质量分数可分别表征第一和第二阶段着火;气相燃油达到高含量区时促发第二阶段成功着火。试验及仿真的碳烟呈现一致性趋势,浓碳烟主要集中在喷雾头部,与OH不同的是,碳烟在整个第二阶段的燃烧过程中持续存在。     

基于分子动力学的燃油液滴超临界蒸发特性

基于分子动力学模拟的方法,对氮气环境中单个烷烃液滴的蒸发过程进行了模拟研究,揭示了液滴在亚临界和超临界条件下液滴蒸发特性的显著差异．对正十二烷液滴在氮气环境内的蒸发过程进行分子动力学模拟,结果表明：在超临界温度和压力条件下,液滴的温度持续上升,能够超过燃油组分的临界温度;此时,液滴与周围气相区的密度差异近乎消失,气-液相交界变得难以辨别,明显不同于亚临界条件下典型的气-液两相蒸发特征;蒸发速率随环境温度的升高而增大．在较低的压力范围内,升高环境压力能够提升液滴蒸发速率,但当压力达到一个特定值后,随着环境压力的升高蒸发速率反而会降低,同时液滴转变为超临界蒸发状态所需的最小压力随环境温度的升高而降低．对于双组分混合液滴,在亚临界环境条件下,液滴内的轻质组分优先蒸发;而在超临界环境条件下,液滴内各个组分近乎保持同步蒸发,两个燃油组分共同主导液滴的完整蒸发过程．     

丁烷-空气超临界燃烧中温度对迁移过程的影响

建立了单一燃料液滴燃烧过程的计算模型和数值方法,并利用之计算了丁烷-空气系统的蒸发和燃烧过程,研究了环境温度对迁移过程的影响.计算结果表明,在环境压力为2倍丁烷临界压力下,当环境温度为丁烷临界温度3倍时,液滴表面状态几乎在着火的同时实现了亚临界向超临界状态的迁移.环境温度低于3倍丁烷临界温度时,液滴会在迁移前着火,并借助火焰产生的热量完成迁移过程;当环境温度高于3倍丁烷临界温度时迁移时间短于着火延迟,液滴不利用燃烧产生的热量而依靠自周围高温介质传来的热量提高自身温度,进而完成迁移过程.此外,随着环境温度的升高,着火延迟时间和迁移时刻均逐渐变短.     

单滴碳氢燃料的燃烧特性

建立了单滴燃料燃烧过程的计算模型和数值方法,并用之计算单滴燃料的蒸发和燃烧过程。计算发现,环境空气压力和燃料临界压力相近时,液滴具有最小的燃烧时间,即液滴寿命最短;当环境压力低于燃料临界压力时,燃烧时间随着环境介质压力的增大而降低,这是因为在燃烧期内,气液界面一直存在,气液界面间的相平衡控制着蒸发速率,进而控制着燃烧时间;环境空气压力高于燃料临界压力时,着火点液滴表面很快变为超临界状态,其后不存在相变过程,燃料的燃烧速率主要受控于燃料和氧气的扩散速率。由于扩散系数几乎与压力成反比,所以,随着压力增高,燃料从高浓度区向火焰区域扩散的速度减小,使燃烧时间变长。