针对射流火焰的条件矩封闭模型研究

针对较低Reynolds数下的射流火焰,使用直接数值模拟(DNS)数据,研究单条件矩和双条件矩封闭模型应用于此类火焰计算的特点和可行性.结果表明,单条件矩封闭模型在较小标量耗散率下能够较好地预测火焰结构,但在较大标量耗散率下则过高估计了火焰温度.双条件矩封闭模型可以改善预测精度,其模型系数α0、β0和γ0具有稳态特点.     

预混湍流燃烧的实验研究

介绍并分析了甲烷－空气混合气在定容燃烧弹内进行火花点火预混湍流燃烧的实验结果,得到了火核的初期发展,湍流参数对燃烧特性的影响以及不同电极间隙下的失火炫等具有实用参考价值的重要结论。     

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。     

多股射流瓦斯燃烧器湍流扩散火焰尺度的实验研究

用火焰图像分析方法,对一种多股射流燃烧器燃烧富含氢气的瓦斯产生的湍流扩散火焰的尺度进行了实验研究,研究了燃烧器结构参数和操作参数对火焰长度和长宽比等尺度特性的影响规律。结果表明,火焰长度随燃烧器喷孔总面积的增大和燃气流量的增大而增大,随助燃空气过剩系数的增大而减小;火焰长度和长宽比随上层喷孔位置角的增大而减小。同时发现,瓦斯中氢气含量对火焰尺度影响较大,随着氢气含量增大,火焰长度和长宽比都明显减小。     

强湍流下甲烷稀燃预混火焰的稳定性研究

针对稀燃预混火焰的吹熄问题,运用高速PLIF技术实现了天然气稀燃火焰从薄火焰面区到破碎区的火焰内部结构可视化,提供了在高湍流强度下稀燃预混火焰的重要数据.结合LDV测量得到的流场信息和提取出反应区面积等参数,发现了湍流对火焰反应层的两方面影响.一方面是通过增加反应区面积增强了燃烧强度,另一方面高强度的剪切拉伸导致反应层...     

逆向射流火焰稳定特性的实验研究

本文初步揭示了逆向射流的火焰稳定机理及火焰稳定准则。     

湍流预混燃烧火焰结构的分形维数特征研究

发动机湍流预混燃烧的火焰结构具有自相似性,将分形技术这一新的非线性方法技术引入对湍流预混火焰结构的研究中,基于自行设计的以光学发动机和高速摄像机为核心的试验系统,得到了湍流预混燃烧的火焰结构图像.利用修正数盒法的分形图像处理方法,得到了描述湍流预混燃烧火焰的分形维数特征.在此基础上,对于发动机转速、空燃比、点火提前角和燃料性质等参数对火焰分形维数的影响规律进行了探索性的研究.研究结果表明,湍流预混燃烧火焰的分形维数在燃烧期内先随曲轴转角增加而增加,在达到最大值后,随曲轴转角增加而减小,证明在燃烧中期,火焰锋面具有最大的扭曲度;发动机转速的增加、点火角的提前、混合气的加浓均会使燃烧火焰的分形维数均有不同程度的增加.因此表明上述因素会使燃烧进行得更为剧烈,火焰结构的扭曲程度加强,火焰传播速度加剧.     

预混湍流燃烧基础研究的现状和动向

综述了国际上开展预混湍流燃烧基础研究的现状和动向,介绍了几种不同湍流产生方式的定容燃烧弹装置,对进行这方面研究的主要实验方法和手段进行了概括、分析,并介绍了一些值得关注的研究动向     

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。     

预混合燃烧现象学紊流火焰速度模型

提出了一个用于预混合燃烧的现象学紊流火焰速度模型,描述了火焰从层流传播到充分发展的紊流传播的全过程。基于火焰瞬时尺度和基本的紊流特性参数,按照火焰生长的各个阶段,将紊流火焰速度的计算分为３个步骤,以有效紊流强度显示从层流传播到紊流传播的转化,以紊流积分标尺和梅尔莫哥洛夫标尺作为火焰皱折程度的度量,考虑了火焰表面扭曲对火焰速度的作用。计算结果与测量数据的比较显示了较好的一致性。     

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．     

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。     

基于深度学习的甲烷高压射流湍流燃烧火焰图像处理方法研究

基于定容弹开展了高压天然气(甲烷)射流燃烧光学测试,并分别运用深度学习方法和边缘检测算法进行了图像处理。对比结果表明,由于图像中存在射流、火焰差异大的图像识别目标,边缘检测算法无法较好识别射流和火焰,该算法适合于单一目标的火焰图像处理。深度学习方法可识别射流湍流燃烧火焰轮廓,有效地获得射流湍流燃烧火焰前锋面发展位移及火焰传播速度,该方法适用于多个目标的火焰图像处理。根据深度学习图像处理结果表明:当高压甲烷射流接触预燃球形火焰时,火焰由稳定层流速度(<3 m/s)快速上升,最大火焰传播速度高达300 m/s,形成湍流火焰,火焰沿射流方向快速向前发展,火焰面积增加。随着射流和点火时间间隔的增加,最大火焰传播速度线性下降。     

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.     

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．     

湍流射流点火对天然气发动机燃烧特性影响的试验研究

湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition,TJI）是一种有效的燃烧增强技术,可提供更高的点火能量,使发动机稳定着火,且可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现发动机稀薄燃烧的有效手段。基于一台带有预燃室的点燃式单缸试验机,开展了TJI模式下天然气发动机性能的试验研究。首先,研究了不同过量空气系数下TJI对天然气发动机动力性能、排放性能及燃烧特性的影响,并与火花塞点火（Spark Ignition,SI）模式进行对比;其次,在稀燃条件下分别探究了进气增压和预燃室喷氢对天然气发动机动力性、经济性及燃烧过程的优化作用。结果表明：TJI的使用可有效拓展天然气发动机的稀燃极限,且燃烧滞燃期和燃烧持续期均更短,放热率更高;过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且可实现氮氧化物近零排放;此外,采用进气增压的方式可以提高TJI发动机在高负荷下的经济性;TJI模式下,相较于预燃室喷甲烷,预燃室喷氢气可进一步缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。     

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....     

同轴平行射流火焰稳燃机理的分析

采用简化的湍流扩散火焰数学模型导出同轴平行射流的湍流扩散火焰的解,并以此概述了同轴平行射流同轴平行射流湍流扩散火焰的稳燃机理。