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．     

基于火焰面的大涡模拟中条件标量耗散率的模型

评估了映射封闭模型、对撞流模型、来自均匀湍流PDF输运方程的模型和一个唯象模型。结果表明,虽然映射封闭模型和对撞流模型使用不同的方法推导,并且具有不同的形式,但它们给出了完全一样的结果。在均匀湍流中,当标量方差很大时,映射封闭模型和对撞流模型给出的结果非常接近精确解,然而在标量方差很小或者当量位置的标量值和标量平均值之间存在很大差异时,映射封闭模型和对撞流模型不符合物理实际。这些结论通过直接数值模拟的结果来验证。     

基于动态增厚火焰模型三维全可压缩非预混燃烧的大涡摸拟

利用动态增厚火焰模型对斯坦福大学甲烷/空气燃烧器非预混火焰进行了三维全可压缩大涡模拟,其中湍流亚网格模型采用Smagorinsky-WALE 模型,反应机理采用甲烷四步简化机理.将计算结果与层流小火焰模型及实验值进行比较发现:在进口附近的区域,动态增厚火焰模型的预测结果与实验非常吻合,但在远离进口区域,预测的混合作用大于实验值;动态增厚火焰模型的预测效果与层流小火焰模型相当.     

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.     

大涡模拟燃烧模型对氨气旋流火焰适应性研究

推广无碳燃料是实现“碳达峰、碳中和”的重要举措,氨气具有基础设施完善、安全性高等优势．数值模拟在燃机设计、开发中承担重要作用,燃烧模型对计算对象的适应性非常重要,影响计算精度和效率．本文针对氨气旋流火焰,基于Open FOAM开展了氨气旋流火焰标准化实验及模拟工作,对比了FGM燃烧模型和DTF燃烧模型在氨气旋流火焰燃烧室流场、火焰结构及污染物预测等方面的性能．通过综合分析,给出了模型选用建议,为氨发动机燃烧室和氨燃烧器仿真计算提供参考．     

掺氢比对高Ka数射流预混湍流火焰的影响

在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20％,50％)时对高Ka数下预混湍流射流火焰的影响.结果表明,LES耦合TPDF模型可以较为准确地捕...     

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。     

波瓣混合器的大涡模拟

基于开源软件OpenFOAM,对波瓣混合器中的三维复杂流场结构进行了大涡数值模拟(LES),研究了其主要涡结构的形成及其发展规律。研究表明大涡模拟能够较好地捕捉到波瓣混合器中的涡结构特征。由于波瓣混合器的特殊几何外形,使得流向涡产生于波瓣混合器的波瓣处,并在出口截面形成了反向旋转涡对,随着流向距离的增加,涡对破碎成更小尺度的涡结构。与之相对应的,由于射流剪切层中的K-H不稳定性产生的正交涡形成在波瓣混合器的出口截面,其发展过程与流向涡呈现相似的规律。     

燃油喷雾的大涡模拟

采用大涡数值模拟方法对三种不同背压条件下柴油喷雾过程进行了数值模拟,重点研究预测的喷雾贯穿距离以及粒子索特平均半径与计算网格的相关性。计算模型采用单方程亚网格湍流模型、ETAB喷雾粒子破碎模型和基于粒子云的碰撞模型。贯穿距离和索特平均半径的预测值与实验值吻合较好,并实现了预测值与计算网格无关性。通过计算结果对湍流模型和碰撞模型敏感性分析,计算结果表明,采用亚网格湍流模型可以降低计算结果对计算网格分辨率的敏感性,引起网格相关性的主要原因在于碰撞模型的网格相关性。     

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.     

湍流结构及大涡模拟研究

大涡模拟最初用于大气与环境科学的研究,之后利用大涡模拟研究大气越来越广泛并取得多方面的成果．通过对端流的认识,了解研究湍流应具备的条件,由此引出大涡模拟方法在湍流研究中的优势,简单介绍大涡模拟理论．讨论亚格子模型．根据大涡模拟在水力、航天、传热及生态环境等方面已有的应用,说明其应用前景和亟待解决的问题。     

加力燃烧室污染特性的大涡模拟

采用k方程亚网格尺度模型对模型加力燃烧室的污染特性进行大涡模拟研究,其中污染物CO亚网格尺度模型是以二步化学反应为基础,N0采用亚网格动力学模型,并用亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量,通过数值计算结果与实验数据的比较,表明采用的亚网格污染物生成模型可以用于实际加力燃烧室污染物排放的预估．     

基于大涡模拟的室内火灾数值模拟

采用数值模拟技术对室内发生火灾后的室内温度及烟气的流动做出模拟。对火焰的燃烧采用UDF编程以实现真实火灾发生时的场景。湍流模型采用LES模型,辐射采用P-1模型。通过温度云图,流场矢量图对火灾发生后,室内温度的变化以及烟气的流动情况做出详细的研究。     

燃油喷雾过程的大涡模拟研究

将大涡模拟湍流模型应用于定容弹中的柴油喷雾过程的数值研究,同时以试验结果作为参照,与RANS(RNG κ-ε)模型进行了对比分析,考察r网格密度对计算结果的影响.结果表明:使用RANS模型,网格疏密对喷雾贯穿距影响很小;而大涡模拟计算的贯穿距随着网格的加密而减小,且更接近于试验值.另一方面,液滴索特直径对湍流模型以及网格的密度均不敏感.大涡模拟预测的燃油喷雾的各项特性均优于RANS模型,而且大涡模拟可以捕捉到湍涡的小尺度随机结构,从而更精确地预测湍流特性.     

内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟（LES）计算模型。利用此模型对内燃机压缩过程中缸内流场的水平速度及湍流动能进行了详细分析,并与k-ε模型进行了比较。结果表明与采用k-ε模型计算时相比,采用LES计算时显示了更为复杂的湍流结构,而且LES所能捕捉到的涡团结构范围要大于k-ε模型。同时,采用LES计算时得到的湍流动能要远远低于k-ε模型。     

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。     

商业街火灾烟气流动的大涡模拟

用大涡模拟计算了一个没有通风的室内商业街火灾的烟气流动。由于所需的计算时间过长，目前仅计算了一个算例；介绍了这个算例的一些结果。数值模拟试验证明大涡模拟可以用于大尺度问题的模拟，能够表明烟气流动的细节。