柴油机缸内过程的三维数值模拟

以不稳定性理论为基础为描述油滴破碎过程,以粘附、反弹／粘附和飞溅／附壁射流3个相互重叠的过程来描述喷雾碰壁,建立了燃油喷雾模型。将燃烧划分为低温着火、高温预混燃烧和相关火焰微元扩散燃烧3阶段建立了燃烧模型。开发了微机化三维模拟计算程序,在微机上对涡流室式柴油机的空气运动、喷雾和燃烧全过程进行了数值模拟。     

富氧条件下乙醇喷雾燃烧特性的实验研究

利用McKenna型平面火焰燃烧器搭建乙醇喷雾燃烧实验台架,研究富氧条件下乙醇喷雾的燃烧特性.通过数字图像处理技术提取喷雾火焰特征参数和CH*自由基分布特征参数.其中,火焰特征参数包括火焰面积、火焰高度、火焰平均亮度.分析伴流气体O₂浓度、伴流气体CO₂浓度、乙醇与雾化N₂质量流量比对喷雾火焰特性及CH*自由基分布特性的影响.研究表明,在O₂浓度为21%~55%时,随着O₂浓度的增加,火焰高度和火焰面积均呈降低趋势,而火焰平均亮度呈升高趋势.通过对CH*自由基分布特性的分析发现,O₂浓度越高,燃烧反应区域的分布范围越小,反应强度越大.CO₂浓度对喷雾火焰尺寸与火焰平均亮度的影响与O₂浓度的影响相反,并且CO₂浓度对喷雾火焰平均亮度的影响明显大于其对喷雾火焰尺寸的影响.随着乙醇与雾化N₂质量流量比的增加,火焰尺寸及燃烧反应强度均呈显著升高趋势.     

密度脉动影响湍流燃烧的修正模型

为了全面数学描述湍流各物理量的脉动对气体湍流燃烧的影响 在仅考虑温度、浓度脉动的二阶矩封闭模型(SOM)基础上,用密度脉动作用于Arrehenius公式的后处理方法,研究密度脉动对气体湍流燃烧和NOx湍流生成有限反应速率的影响.给出密度脉动的概念和数学表达式,建立全面考虑温度、浓度和密度脉动影响的湍流反应流的二阶矩封闭修正模型.为更精确地数值模拟湍流耦合反应流中的湍流燃烧快速反应和NOx生成的缓慢反应奠定了基础.分析结果表明,修正模型具有封闭性、合理性和经济性.     

基于ANSYS CFX的反应炉燃烧传热数值模拟研究

运用Pro/e 5.0建立反应炉的参数化模型,利用CFD/CAE前处理器ICEM CFD对几何模型进行网格划分,最后在ANSYS CFX12.0中进行燃烧化学反应模拟.采用k-Epsilon模型来模拟湍流流动、涡耗散模型(EDM)模拟燃烧反应过程、离散传输模型模拟辐射传热等,计算得到:完全燃烧火焰形状为沿中心轴线方向传播且轮廓明显、炉内流动在两侧呈现较强的回流、中心形成射流;缺氧燃烧时,无明显火焰,但炉内温度场趋于均匀、流场与前者近似.这对炉内流动与反应过程的研究具有一定参考价值.     

基于多重扫描速率法的煤矸石失重阶段动力学参数分析

综合运用多重扫描速率法Popescu法、FWO法和KAS法对煤矸石失重过程的反应机理函数、活化能和指前因子进行了计算与分析.结果表明,煤矸石绝热氧化失重过程中不同失重阶段的反应机理不尽相同.煤矸石外在水分失水和固定碳燃烧失重阶段的反应机理为相边界反应的收缩圆柱体(面积)模型,而煤矸石内在水分失水和挥发分燃烧失重阶段的反应机理则分别为三维扩散模型和相边界反应的收缩球体(体积)模型.外在水分失水、内在水分失水、挥发分燃烧和固定碳燃烧4个失重阶段的活化能和指前因子的自然对数值分别为40.089 k J·mol-1和13.17 s-1,80.326 k J·mol-1和24.49 s-1,133.059 k J·mol-1和18.09 s-1,222.018k J·mol-1和23.68 s-1.     

直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型

以燃料与空气分布状态控制可燃混合气的形成和燃烧过程为基本思路,建立直喷式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型及碳粒预测子模型,较好地预测了柴油机火焰温度和碳粒浓度,为柴油机气缸内热辐射研究提供一定的依据。     

四墙切圆煤粉炉内燃烧过程数值模拟研究

以一台四墙切圆煤粉炉试验模型为研究对象，对炉膛内煤粉的流动及燃烧进行了数值模拟．对煤粉燃烧的挥发分析出分别采用单步反应模型和两步竞争反应模型，对焦炭异相燃烧分别采用扩散燃烧模型和扩散／动力燃烧模型．将这四个模型两两组合得到的计算结果与试验测得数据进行了比较分析，最终确定挥发分析出采用两步竞争反应速率模型、焦炭异相燃烧采用扩散／动力燃烧模型较适合于描述四墙切圆煤粉燃烧室内的燃烧过程．     

双基推进剂在湍流剪切流中侵蚀燃烧的气动热化学模型

本文发展了一个双基推进剂侵蚀燃烧的综合气动热化学模型,分析中包括了对燃烧过程的详细模拟,在气相反应中同时考虑了化学动力学作用与扩散作用,并以三种反应来代表嘶嘶区和终焰区(包括暗区和明亮火焰区)的情况。瞬态偏微分控制方程组采用费弗(Favre)平均以考虑变密度影响。湍流反应边界层模型由两方程(k—ε)湍流闭合模型和费弗平均后的诸守恒方程组成。控制方程组由数值方法求解。对一种不含催化剂的双基推进剂的侵蚀燃速的理论计算结果与布立克(Burick)和奥斯本(Osborn)的实验结果相比较吻合得很好。计算的边界层内温度分布正确地描述了双基推进剂的燃烧特点。理论分析表明,侵蚀燃速增大的主要机理是湍流加强了嘶嘶区内的传递特性和化学反应,导致对燃烧表面热量回传增加的结果。     

煤与糠醛渣混燃的热重分析及基于分布活化能模型的动力学研究

通过热重技术研究煤与糠醛渣混燃的燃烧动力学,采用分布活化能模型(DAEM)进行了动力学分析,比较纯煤、纯糠醛渣及两者在3种不同掺混比例、不同升温速率下燃烧反应的差异。结果表明:糠醛渣能够促进煤的燃烧,随着糠醛渣加入量增大,试样着火温度下降,燃烧性能改善;糠醛渣掺混比例增大,燃烧反应的活化能呈下降趋势。     

直喷汽油机SI/HCCI燃烧过程的CFD模拟研究

建立了缸内直喷HCCI汽油机三维数值模型,且搭建了CFD-化学动力学反应机理计算模型.基于该计算模型平台研究了缸内直喷汽油机SI/HCCI燃烧模式下的燃烧与排放特性.分析了缸内喷雾发展过程、混合气空间分布以及不同燃烧模式下缸内压力与NO排放.研究结果表明,与传统火花点火燃烧模式相比,均质压燃模式下缸内温度空间分布更佳均匀;缸内压力升高率更高;但是燃烧持续期有所缩短.     

基于DRGEPSA方法的甲烷燃烧简化机理的构建及验证

采用耦合误差传播和敏感性分析的直接关系图(DRGEPSA)法,对甲烷燃烧详细反应机理(Gri-Mech 3.0机理)进行了简化,构建出了一套含有23种组分和110步基元反应的简化机理。为验证该简化机理的合理性和可靠性,采用充分搅拌反应器模型和一维层流预混反应器模型分别对甲烷燃烧反应过程进行模拟,并对温度和组分摩尔分数分布进行了对比分析。结果显示:利用简化机理分析得到的预测数据与详细机理吻合良好。结合该简化机理,建立了二维数值模型对带伴流的甲烷/空气Flame D进行数值模拟仿真研究,流场的温度和组分分布均与实验值吻合度较好,进一步表明所提甲烷燃烧简化机理具有较高的模拟精度。     

4种废塑料的燃烧动力学研究

用热重分析法对城市固体废弃物中4种常见塑料-聚乙烯农膜(PE)、聚苯乙烯泡沫(PS)、聚丙烯编织袋(PP)和聚酯饮料瓶(PET)进行了在空气中燃烧动力学研究。通过对热重/微分热重曲线(TG/DTG)的数据分析,采用3种动力学模型分别计算出各试样的动力学参数,并对结果进行线性回归,以线性相关系数最高的动力学模型作为该试样的燃烧动力学机理。结果显示,PE,PS及PP均为一级反应,而PET为二级反应,且其活化能的大小顺序与各自的失重特性温度相一致,由此可推断出其活化能的相对大小。     

大涡模拟燃烧模型在扩散火焰中的对比研究

为研究不同大涡模拟湍流燃烧模型的性能,对比分析了不同大涡模拟(large eddy simulation,LES)燃烧模型在扩散火焰模拟中的计算性能,分别采用火焰面/反应进度变量(flamelet/progress variable,FPV),部分搅拌反应(partially stirred reactor,Pa SR)和联合标量概率密度函数(transport joint possibility density function,PDF)燃烧模型对Sandia实验室的Flame D进行了数值模拟分析。计算结果与实验数据的对比表明:3种燃烧模型都可以较好地模拟扩散火焰。基于欧拉随机场的输运型PDF模型计算化学反应可以得到更加准确的结果,尤其是对中间组分OH和污染物NO的预测,但是计算量巨大;Pa SR的计算速度和计算精度居中;FPV的方法在计算量上大大缩减,在工程应用中具有很大价值。     

炭黑生产中冷却塔温度射流自动调节

半补强炉法炭黑生产是以天燃气为原料,按一定的风气比进入燃烧炉,部分燃烧产生热量(炉温为1250℃左右),部分裂解生成炭黑和燃余气的混合气流。经过烟道继续进行活化反应,继而进入冷却塔经喷雾水冷却,使混合气体温度由1100℃降至280℃     

基于多门控混合专家网络的燃烧热化学流形表征

为了更好地在小火焰燃烧模型框架内实施燃烧热化学流形表征，采用多任务学习领域中的多门控混合专家网络（MMoE）.通过对三维层流喷雾射流火焰构型进行详细化学（DC）模拟，构建原始数据集.原始数据集经过Box-Cox转换和标准化处理，以应对燃烧数据的多尺度分布问题.对数据集进行Pearson相关系数分析，结果表明部分化学组分之间无明显的相关性.分别构建同等参数量规模的MMoE和前馈神经网络（FNN）模型，对比分析结果表明，2种模型取得的损失值和决定系数相近，但相比FNN模型，MMoE模型在训练过程中更加稳定，且取得的定量预测结果更加准确.     

化学反应速率模型对高温空气燃烧特性的影响

为了探讨更恰当的高温空气燃烧研究方法,本文从燃烧机理的角度,通过数值分析方法研究了化学反应速率模型对高温空气燃烧特性的影响,分别研究了单步有限反应速率模型、多步有限反应速率模型和涡旋破散模型.在多步有限反应速率模型中,考虑了多个反应步和逆反应,所以该模型结果中的温度比其他2种低,进而抑制了热力NO_x的生成,因此NO_x排放较低.单步有限反应速率模型与涡旋破散模型的结果基本一致,这与单步模型所用的一些经验常数是在常温下得到的有很大关系.研究结果验证,无论是对单步反应还是多步反应,建立的模型都有较好的适用性.     

燃烧模型对多孔介质内预混燃烧的影响

采用二维非稳态数学模型研究燃烧模型多孔介质内预混燃烧影响.燃烧模型分别为单步和多步化学反应动力机理（17种组分,58个反应）,CH4/空气当量比的范围为0.55～1.0.对比分析两种燃烧模型下燃烧器中心处的温度、组分浓度分布曲线.结果表明,多步燃烧模型对燃烧器内温度、组分浓度分布有更准确的预测,并与文献结果比较,证实了二维非稳态数学模型的正确性.此外,将二维的温度场进行比较,结果表明单步化学机理的反应区域小,温度梯度大,而多步化学反应由于各反应步骤存在时间尺度的差异,反应区域大,温度梯度相对较小,与实际燃烧情况能很好的吻合.     

轨压对喷雾特性的影响

轨压是影响高压共轨柴油机喷雾形成的主要条件之一,喷雾的好坏直接影响到燃烧过程与排放的好坏。本文在通过实验数据对建立的仿真模型进行验证的条件下,应用CFD软件对不同轨压下的喷雾特性进行了仿真分析。通过对混合气以及绝对喷雾的速度场特性分析得出:轨压越大燃油雾化越好,最高速度出现得越早,然而最高速度值却变小,且保持性变差;单纯的喷雾特性与混合气的特性存在很大的差距,尤其是在喷孔附近对喷雾的影响更大。     

当量比对正庚烷预混燃烧下多环芳烃生成影响

采用107种组分和542个基元反应的化学反应机理,数值模拟正庚烷预混燃烧下多环芳烃的生成.计算分析正庚烷预混燃烧下主要反应物(O2和n-C7H16)、反应生成物(CO、CO2和多环芳烃)和中间产物(CH4、C2H4和C3H6)的分布,并与测量结果进行对比.分析燃烧当量比对多环芳烃生成规律、苯与联苯生成速率及苯生成关键反应基元步敏感性的影响.结果发现,主要反应物、反应生成物及部分中间产物分布规律的计算结果与实测结果吻合,说明该机理可用于正庚烷预混燃烧下产物预测,随燃烧当量比增加,苯、联苯、菲和芘的体积分数升高,苯与联苯的总生成速率显著提高.     

热重分析法研究煤粉燃烧过程动力学的Arrhenius方程修正式

煤粉的燃烧过程常被作为能量的提供者应用于不同工业,为研究升温速率对煤粉燃烧过程动力学的影响.本文采用热重分析法对20℃/min、25℃/min、30℃/min和35℃/min升温速率下的煤粉燃烧过程进行分析.结果表明:随升温速率的提高,煤粉燃烧过程有明显的热滞后现象.根据煤粉燃烧过程的特点,以反应速率曲线波谷对应的温度点,将着火点到燃尽点的燃烧过程划分为两个阶段,并分别采用界面化学反应模型和内扩散模型来描述相应阶段的动力学过程.由所获得动力学参数可知,不同升温速率下活化能E_(ai)和指前因子Ai的动力学补偿效应可表示为ln A_i=a E_(ai)+b,升温速率β对活化能E_(ai)的影响可表示为E_(ai)=△E_alnβ_i+E_(a0).随将常用的Arrhenius方程ln k_i=-E_(a0)/RT+ln A_0修正为ln k_i=-E_(a0)/RT+△E_a(a-1/RT)lnβ_i+ln A_0来描述升温速率β对煤粉燃烧过程反应速率常数k的影响.而后,采用10℃/min、15℃/min、40℃/min和45℃/min升温速率下的煤粉燃烧试验对Arrhenius方程修正式的外推性进行验证,效果良好.因此,Arrhenius方程修正式不仅能很好地描述升温速率β对煤粉燃烧过程化学反应速率常数k的影响,而且还具有一定的外推性.