气固两相燃烧双流体大涡模拟的数学模型

目前大多数两相燃烧的大涡模拟(large-eddy simulation,LES)是欧拉-拉氏模拟,这比欧拉-欧拉或双流体模拟耗时大得多.本文提出气固两相燃烧双流体大涡模拟的数学物理模型,包括双流体框架内大涡模拟过滤的控制方程,两相亚网格(sub-gridscale,SGS)应力模型和亚网格气体燃烧模型.对亚网格应力本文建议用作者提出的两相亚网格动能方程模型,考虑两相之间的相互作用.对气体(挥发分和CO)燃烧建议用作者提出的二阶矩(second-ordermoment,SOM)亚网格湍流-反应相互作用模型.对颗粒的热解挥发和焦炭燃烧模型也在双流体模型的框架内加以应用.这些子模型已经分别通过和实验对照加以评估.     

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．     

湍流燃烧亚格子线性涡模型研究

湍流燃烧的亚格子模式一直是限制大涡模拟在湍流燃烧中应用的主要困难,介绍了湍流燃烧亚格子模型———亚格子线性涡模型.回顾了该模型的发展历程并给出了其当前形式,指出了该模型建立过程与其他湍流燃烧亚格子模型相比的长处,指出了该模型的不足.对亚格子线性涡模型在湍流燃烧大涡模拟中的应用进行了总结评述,重点分析了该模型应用于超声速燃烧存在的问题.     

基于多组分蒸发模型的柴油喷雾燃烧的LES研究

采用大涡模拟方法结合多组分蒸发模型对定容燃烧室内的柴油喷雾和燃烧过程进行了数值模拟研究.在大涡模拟中,采用动态结构模型模拟亚网格应力项,基于反褶积方法在湍动能的输运方程中增加了源项,表征燃油液滴与环境气体在亚网格尺度的相互作用;在多组分蒸发模型中,采用Gamma函数描述柴油液滴组分的摩尔分布,推导了基于连续热力学方法的气相组分控制方程的大涡模拟形式.将上述模型写入到多维CFD程序KIVA-4中,通过与无蒸发燃油喷雾和有蒸发喷雾燃烧过程相关实验数据的对比,计算得到了更为真实的喷雾形态和碳烟分布等结果,表明了该模型对提高柴油喷雾燃烧过程仿真性能具有巨大潜力.     

旋流贫预混燃烧湍流特性的大涡模拟

针对一个非受限强旋流CH_4/空气贫预混燃烧器的冷态工况和燃烧工况进行大涡模拟,建立了基于两步简化机理的改进代数二阶矩燃烧模型,模拟得到与实验数据相符的结果.为了进一步分析化学反应对湍流流动的影响,应用了空间关联函数和湍流能谱分析方法处理模拟结果,模拟结果显示燃烧增强了湍流涡团的能量.     

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。     

分级进风旋流燃烧室内湍流燃烧的数值模拟

应用考虑湍流-化学反应相互作用的代数二阶矩-概率密度函数(PDF)湍流燃烧模型,对分级进风旋流燃烧室内两组工况下的甲烷湍流燃烧进行了数值模拟,得到的二氧化碳浓度和气体轴向脉动速度均方根值分布与实验数据相符合,得到的气体轴向和切向速度、轴向一切向脉动速度关联量、温度和氧气浓度分布与实验数据基本相符合.研究结果表明,选取适当的二次风率可以起到优化燃烧过程的作用.     

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.     

一种新型旋流燃烧器内甲烷扩散燃烧特性

采用两步总包反应机理、标准亚网格应力模型与有限速率/涡耗散燃烧模型等对一种新型旋流燃烧器内甲烷-空气扩散燃烧过程进行大涡模拟.凭借旋流离心效应和涡旋效应来控制反应混合和火焰传播特性,实现了一种热流分布均匀、温度波动小的蓝色旋涡状火焰.此外,通过平面激光诱导荧光技术(OH-PLIF)对反应流的OH基分布进行定性测量.研究表明,燃烧核心区与壁面隔离,使得壁面具有自冷却的效应;切向速度沿径向分布呈现中心对称的双峰结构;高速射流经过突扩的喉部强烈吸卷周围的气流,对其起到预热作用,有利于燃料空气的混合和燃烧效率的提高.     

局部时间步法在低马赫燃烧模拟中的适用性研究

在复杂燃烧模拟中由于整场流速的不均匀性和局部网格尺寸的差异,各局部流场区域的CFL数差异较大.传统的基于整场最大CFL数定义的整体时间步法严重制约计算效率.本文首次考察了基于当地CFL数限制的局部时间步法在低马赫数湍流燃烧模拟中的适用性.对开放空间中甲烷池火(1065万网格)和封闭空间建筑火灾(320万网格)的大涡模拟...     

基于RANS和LES的汽油、柴油及其掺混燃料压燃燃烧特性数值模拟研究

研究中首先采用RANS和LES两种湍流模型对汽油、柴油及汽柴油掺混燃料的喷雾进行了气液相贯穿距的标定。基于标定好的喷雾模型,采用RANS与LES对3种燃料在发动机中的燃烧过程开展了数值模拟研究。通过对比RANS与LES对部分预混燃烧数值模拟的差异,揭示了两种湍流模型对缸内流动、燃料输运及燃烧过程的影响机理。结果表明,RANS与LES都能够对柴油及掺混燃料的燃烧过程实现较好的预测,其中LES对汽油部分预混燃烧中滞燃期及放热规律的预测与试验更为接近。同时,LES对3种燃料NOx排放的计算结果都与试验更加接近,这与燃料在缸内放热的位置密切相关。     

Large Eddy Simulation of combustion instabilities in a lean partially premixed swirled flame

This paper investigates one issue related to Large Eddy Simulation (LES) of self-excited combustion instabilities in gas-fueled swirled burners: the effects of incomplete mixing between fuel and air at the combustion chamber inlet. Perfect premixing of the gases entering the combustion chamber is rarely achieved in practical applications and this study investigates its impact by comparing LES assuming perfect premixing and LES where the fuel jets are resolved so that fuel/air mixing is explicitely computed. This work demonstrates that the perfect premixing assumption is reasonable for stable flows but is not acceptable to predict self-excited unstable cases. This is shown by comparing LES and experimental fields in terms of mean and RMS fields of temperature, species, velocities as well as mixture fraction pdfs and unsteady activity for two regimes: a stable one at equivalence ratio 0.83 and an unstable one at 0.7.     

燃气轮机环形燃烧室内燃烧流动的数值模拟

对一个复杂的GE—F101型工业燃气轮机环形燃烧室，采用Reynolds应力湍流模型(RSM)、EBU—Arrhenius湍流燃烧模型和六通量热辐射模型描述其燃烧流动，应用FLUENT软件进行了三维化学反应流场的数值模拟研究。研究结果表明：旋流和燃料进口射流对燃烧室流内温度和流场分布有着重要的影响；利用数值手段得到燃烧室出口的温度分布以判断其能否满足透平叶片进口温度的要求是可行的；燃烧室工作压强对出口的NO分布有着重要影响。在燃用气体燃料时，燃气轮机的NO排放主要来自于热NO，瞬时NO只占很小一部分。图11参6     

多孔介质发动机流动与燃烧特性的大涡模拟初探

对多孔介质发动机的燃烧特性采用大涡模拟进行了初步分析.首先计算了考虑多孔介质随机结构特性的定容燃烧室内气体燃料喷射过程,并与自由空间中的喷射过程进行了对比.然后采用大涡模型对两种结构形式的多孔介质发动机的燃烧过程进行了初步的计算分析.多孔介质的存在增强了湍流涡团的小尺度结构,明显改变了燃料的空间分布,而采用大涡模拟(L...     

小型直喷式柴油机缩口型燃烧室的设计与研究

在4100型直喷式柴油机上，为改进的进气系统和供油系统匹配设计了几种不同形状的缩口型燃烧室，研究了燃烧室形状对柴油机性能的影响。试验结果表明，体积较大的球形底台的缩口燃烧室能促使油-气混合，改善燃烧过程，有利于实现柴油机的动力性、经济性和排放指标的良好折中。     

多孔燃烧器中氨/空气燃烧特性数值研究

氨具有氢密度高、生产成本低、基础设施完善等优点,作为一种潜在的可再生替代燃料受到了广泛的关注.目前,仅有少数研究关注氨气燃烧喷嘴的研究,针对氨气稳定燃烧喷嘴的研究尤其不足.为实现氨燃料的稳定燃烧和低污染物排放,本研究提出了一种氨用多孔介质燃烧器.对氨用多孔介质燃烧器建立了二维数值模型,并对预混氨/空气在多孔介质燃烧器中...     

Large Eddy Simulations of gaseous flames in gas turbine combustion chambers

Recent developments in numerical schemes, turbulent combustion models and the regular increase of computing power allow Large Eddy Simulation (LES) to be applied to real industrial burners. In this paper, two types of LES in complex geometry combustors and of specific interest for aeronautical gas turbine burners are reviewed: (1) laboratory-scale combustors, without compressor or turbine, in which advanced measurements are possible and (2) combustion chambers of existing engines operated in realistic operating conditions. Laboratory-scale burners are designed to assess modeling and fundamental flow aspects in controlled configurations. They are necessary to gauge LES strategies and identify potential limitations. In specific circumstances, they even offer near model-free or DNS-like LES computations. LES in real engines illustrate the potential of the approach in the context of industrial burners but are more difficult to validate due to the limited set of available measurements. Usual approaches for turbulence and combustion sub-grid models including chemistry modeling are first recalled. Limiting cases and range of validity of the models are specifically recalled before a discussion on the numerical breakthrough which have allowed LES to be applied to these complex cases. Specific issues linked to real gas turbine chambers are discussed: multi-perforation, complex acoustic impedances at inlet and outlet, annular chambers…. Examples are provided for mean flow predictions (velocity, temperature and species) as well as unsteady mechanisms (quenching, ignition, combustion instabilities). Finally, potential perspectives are proposed to further improve the use of LES for real gas turbine combustor designs.     

进气上止点燃油喷射实现柴油HCCI燃烧的试验研究

提出了采用在进气上止点附近进行燃油喷射,通过内部EGR促进燃油蒸发混合的方法,实现柴油燃料的均质压燃(HCCI),并通过副喷嘴喷射引燃柴油解决HCCI发动机的冷启动困难问题．试验表明该方法有利于在缸内形成均质混合气,在常温进气的情况下就可得到较好的HCCI燃烧效果．同时,还对影响HCCI燃烧的发动机负荷和进气温度进行了研究,认为由这些因素引起的缸内温度变化是影响HCCI燃烧的主要原因。     

初始条件对燃气轮机DLE燃烧室性能影响研究

以单头部中心分级旋流干式低排放(Dry Low Emission, DLE)燃烧室为研究对象,以天然气为燃料,针对不同的全局当量比、进口温度、进口压力条件开展试验测试和数值模拟,研究燃烧室的燃烧性能以及污染物排放的变化规律。研究发现：随全局当量比增大,中心回流区长度略有增大、宽度变窄、回流速度增大,燃料量的增加使得高温区面积明显扩大,燃烧室出口温升明显增大,出口温度分布系数变化不大,燃烧室出口CO和NO_x排放摩尔分数明显增大;随进口温度的增大,中心回流区长度先明显增大再减小、宽度变窄、回流速度先增大再减小,进口空气温度的升高使得反应速率加快从而导致燃烧室出口温度升高,但温升、出口温度分布系数变化不大,CO和NO_x排放摩尔分数增大;随进口压力的增大,中心回流区长度、宽度略有增大,回流速度增大,燃烧室内部和燃烧室出口温度无明显变化,出口温度分布系数减小,CO和NO_x排放摩尔分数受影响较小。