基于过程变量-火焰面模型的湍流燃烧大涡模拟

湍流燃烧常伴随着复杂的流动过程和燃烧现象.先进的燃烧模型与大涡模拟结合为模拟湍流燃烧提供了有利的工具.过程变量-火焰面模型是在火焰面模型的基础上发展起来的.由于引入了过程变量,过程变量-火焰面模型可以描述诸如局部熄火和再燃等复杂的燃烧现象.为了验证基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟方法,近年来开展了一系列的数值模拟工作.在非预混火焰、部分预混火焰、抬升火焰、旋流火焰等火焰的模拟中,基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟方法都得到了很好的验证.在此基础之上,基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟也被用于燃气轮机燃烧室的模拟,并开始用于预测一些基本的燃烧现象.随着过程变量-火焰面模型的不断发展,基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟方法将在湍流燃烧模拟中发挥更重要的作用.     

基于RANS求解的火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型研究

通过求解稳态一维拉伸层流扩散火焰面方程,得到混合物分数及反应进度Z-C双标量建表的层流火焰面数据库,并结合混合物分数满足β分布及一阶近似的反应进度变量条件概率密度分布,建立了湍流火焰面平均值数据库.通过将双参数火焰面模型的查表和求解过程与OpenFOAM计算平台相结合,发展了基于RANS方法的双参数湍流燃烧火焰面模型及数值计算求解器ZCFoam.对轴对称湍流射流Sandia D火焰的模拟表明,计算给出的温度分布、主要组分的分布等与实验值吻合较好.     

典型富氢燃料气预混火焰的熄灭特性

宽燃料适应性是先进燃气轮机的重要设计要求之一,燃用来源广泛的富氢燃料气是燃气轮机未来发展的重要方向,因此富氢燃料气的湍流火焰熄火特性应成为燃气轮机燃烧室设计过程中重点关注的问题。该文通过使用优化的对冲火焰实验方法和数值模拟计算方法,比较了2种典型的富氢燃料气在层流和湍流燃烧状态下的熄灭拉伸率,并分析了贫燃侧2种燃料预混火焰熄灭拉伸率差异的主要原因。结果表明：在该文研究的工况范围内,采用数值模拟方法可较好地预测层流和湍流火焰的熄灭拉伸率。在层流燃烧状态下,火焰锋面内活性自由基H、 O和OH的物质的量浓度相对更高的富氢燃料气,其火焰锋面内部的关键化学反应速率和释放热量的速度更高,因此能抵抗更高程度的火焰拉伸形变。湍流作用加快了火焰锋面内部的反应速率,但同时会使热量更快地从火焰锋面内部向外输运,相比于层流火焰,湍流火焰熄灭拉伸率降低。     

高雷诺数预混湍流火焰的数值模拟与结构表征

高雷诺数湍流预混燃烧是先进发动机高效清洁燃烧中的共性问题.为发展发动机燃烧室工况下的预混燃烧可预测模型,亟需开展高湍流度、宽压力范围内的湍流预混火焰基础研究.本文就近期相关进展进行综述,重点内容包括:(1)主要处于薄反应区预混燃烧模式下的自由传播与射流火焰的直接数值模拟;(2)湍流预混火焰结构演化中的几何与拓扑性质表征方法;(3)预混火焰锋面前后密度与黏度变化对临近流体局部各向异性与小尺度涡结构的影响机理;(4)高雷诺数湍流预混火焰中高拉伸率与差异扩散对燃烧速率和局部熄火的影响;(5)湍流预混燃烧大涡模拟中的亚格子模型.     

旋流燃烧室中NO排放的数值计算

采用数值模拟的方法研究了旋流燃烧室中旋流数对NO排放的影响，其中湍流采用修正的k-ε模型，燃烧采用EBU-Arrhenius模型，NO的生成包括热力NO和瞬发NO，采用设定的PDF模型．计算结果表明，随着入口旋流数的增加，旋流燃烧室中的高温区移向入口，火焰长度缩短，宽度增大；NO排放量先增加，后减小．因此，适当调整燃烧室的旋流数可以降低NO排放。     

定容燃烧弹中预混流燃烧的数值模拟

发展了一种新型预混湍流燃烧的数值模型。该模型基于准维模型的基本思想,摒弃了湍流燃烧速度模型,以数值生成的湍流场对火焰前锋面的客观影响推动燃烧计算过程,消除了人为经验作用。利用模拟得到的湍流速度场,实现了对火焰几何形状的二维模拟,利用该模型,计算和讨论了当量燃空比分别为０．９和０．７时,定容燃烧弹中预混湍流燃烧的特点,以及湍流强度和湍流标尺对燃烧的影响。     

定容燃烧弹中预混湍流燃烧的数值模拟

发展了一种新型预混湍流燃烧的数值模型．该模型基于准维模型的基本思想,摒弃了湍流燃烧速度模型,以数值生成的湍流场对火焰前锋面的客观影响推动燃烧计算过程,消除了人为经验的作用．利用模拟得到的湍流速度场,实现了对火焰几何形状的二维模拟．利用该模型,计算和讨论了当量燃空比分别为０．９和０．７时,定容燃烧弹中预混湍流燃烧的特点,以及湍流强度和湍流标尺对燃烧的影响．模型的模拟结果和实验结果有很好的吻合性,这说明模型是合理的．     

三维加力燃烧室湍流燃烧的数值模拟

本文对涡扇发动机三维加力燃烧室内的气相湍流燃烧过程进行了数值模拟。湍流模型采用标准ｋ－ｅ模型,湍流燃烧采用涡旋破碎（ＥＢＵ）模型,数值方法采用ＳＩＭＰＬＥ算法。计算结果定性合理。     

合成气纯氧高压预混湍流火焰结构研究

为了理解高压下合成气纯氧预混湍流火焰中火焰与流动的耦合作用,利用OH-PLIF激光测量技术开展了高压条件下合成气纯氧预混湍流火焰结构研究,获得了高压下预混湍流火焰前锋面结构,得到了火焰前锋面尺度信息,包括火焰体积、火焰面密度和火焰前锋面尺度,并分析了预混湍流火焰前锋面与湍流尺度和层流火焰尺度的相互作用关系.研究结果表明:高压预混湍流火焰前锋面为褶皱火焰面结构,火焰面为小尺度的尖峰结构和大尺度的树干状结构互相叠加;合成气火焰前锋面结构比甲烷混合气火焰更加精细,尺度更小;合成气预混湍流火焰体积较小,放热区较小,在预混贫燃燃气轮机燃烧室中容易产生燃烧振荡;合成气和甲烷火焰在湍流燃烧速率上表现出不同的转折规律,这可以通过火焰前锋面尺度和火焰自身不稳定性尺度来解释;湍流流动对火焰前锋面的扰动受到火焰自身不稳定尺度的限制.     

注蒸汽燃气轮机燃烧室内部流场特性的三维数值模拟

介绍了适于注蒸汽燃气轮机（ＳＴＩＧ）燃烧室流场模拟的大湿度燃烧计算模型,对三维流场计算的数值方法及特殊处理进行了说明,并采用有关文献中的实验数据对燃烧计算程序进行校验,最后对某实验用注蒸汽燃烧室的内部流场进行数值模拟,计算结果表明,文中采用的数学模型及计算程序是可信的,大湿度燃烧室流场的三维模拟可更贴近实际地描述燃烧室内部各物理量,尤其是水蒸汽质量分数的分布情况,壁面射入的蒸汽流使中心回流区及高温     

涡喷加力燃烧室湍流两相燃烧数值模拟

采用无结构网格技术,对具有环形火焰稳定器的三维涡喷加力燃烧室的湍流燃烧过程进行了数值模拟,运用离散相方法和Arrhenius-EBU化学反应模型得到了合理的温度和浓度场分布.在此基础上,比较了一步反应和两步反应机理下的温度场和浓度场,研究了火焰稳定器形状对总压恢复系数和燃烧效率的影响,计算结果与实验值符合较好.     

微型燃气轮机燃烧室内三维流动过程的数值模拟

采用RNG κ-ε湍流模型，对Capstone公司75kW微型燃气轮机燃烧室火焰筒内气流三维流动过程进行了数值模拟研究．结果表明，燃烧室火焰筒内有3个回流区，其存在将有助于燃料的连续点火和火焰的稳定．由火焰筒后部两排二次空气掺混射流孔射入火焰筒的射流深度不同，且沿流动方向第一排射流孔射流深度大于第二排．此外，火焰筒内气流轴向、径向和切向速度沿火焰筒径向的分布随着气流沿火焰筒轴向的流动逐渐趋于均匀，且其峰值位置朝向火焰筒中心轴方向移动．     

基于神经网络的燃烧室壁面冷效预测方法

现代重型燃气轮机燃烧室的研发过程中，产生了大量的数值模拟和试验数据。其中，燃烧室火焰筒采用了先进发散冷却技术。该技术中，壁面冷效受发散孔型、主流/冷气压损等参数影响，难以建立基于理论模型和经验关联式的方法进行回归预测。针对工业研发产生的壁面冷效数据集，该文提出了基于人工特征选择、小批量化和归一化的数据预处理技术，建立反向传播(back propagation, BP)神经网络和径向基核函数(radial basis function, RBF)神经网络2种优化的神经网络模型，并通过交叉验证与网格搜索对算法模型进行超参数寻优，最终实现燃烧室壁面冷效的高精度场重建和高精度预测，场重建精度达90%,预测精度达85%,满足了工业燃烧室设计迭代中的实际工程需求。     

气液双燃料燃气轮机燃烧室混合燃烧特性研究

为解决双燃料燃气轮机燃烧室中的混合燃烧问题，对某原型燃油燃烧室进行了双燃料混合燃烧的数值模拟。通过模拟实验可知，在2种燃料混合燃烧的过程中，不断降低的液体燃料流量以及雾化压力导致的液体燃料雾化特性恶化以及气体燃料不断升高的喷射速度在径向上压缩液体燃料雾化空间是影响燃烧室混合燃烧性能的主要原因。在本文计算的混合燃烧过程中，燃烧室性能变化存在临界点，随着气体燃料占比增加，燃烧室火焰先缩短后延长，燃烧室出口温度分布系数（OTDF）先降低后升高，两者均在气体占比40%时达到最佳，而燃烧室液体燃料雾化质量、出口平均温度、效率均逐渐下降，且在气体燃料占比为70%时下降幅度最大，但在气体燃料占比100%时上升。     

燃烧室热-声-固耦合数值模拟研究

为减少NO_x等污染物的排放,现代燃气轮机多采用贫油预混燃烧技术,由此产生较为突出的燃烧振荡与燃烧室结构疲劳问题。应用有限元软件建立燃烧室数值模型优化燃烧室模型网格;对比分析进气速度対数值模拟结果的影响;运用单向耦合与双向耦合方法计算分析了燃烧室热-声-耦合特性。研究表明:网格质量在一定程度上影响计算精度,进气速度对数值模拟结果影响较大;相对于声压载荷,热载荷对结构固有频率和振型影响较大,特别是在高频段;双向耦合较单向耦合数值模拟结果与实际情况更为接近。热-声-固耦合分析方法对发动机燃烧震荡机理研究及其抗热-声-固耦合疲劳设计具有应用参考价值。     

燃烧振荡声学抑制器的机理分析与设计优化

燃烧振荡是发展低排放燃气轮机燃烧室需要解决的关键问题之一，未来燃气轮机燃烧室运行温度更高、具有更宽的工况运行范围及更复杂的几何结构(如轴向分级、环形燃烧室等),燃烧振荡存在高振幅、多振荡频率、多振荡频率时变和多热声模态共存等特点。采用声学抑制器被动控制燃烧振荡具有抑制器结构简单、可靠性高、成本较低等优势。针对未来的燃烧室，现有抑制器方案将面临很大挑战，因此，亟需开展宽吸声带宽、可控制多模态的声学抑制器及系统级燃烧室多声学抑制器设计优化研究。该文概述了国内外声学抑制器机理和设计优化的研究进展，着重总结了作者近年来在常规及多频段声学抑制器机理、抑制效果分析计算和复杂热声系统参数对声学抑制器特性影响，以及基于伴随方法的多声学抑制器多参数快速优化等方面的研究工作，并对未来燃烧室声学抑制器的发展方向进行了讨论。     

炉内流场、传热及燃烧计算的进展

当前对火焰炉窑及燃烧室的分析计算,综合应用了计算流体力学、湍流模型、多相流模型、湍流燃烧模型,火焰传热模型及计算方法,并与有关的实验研究相结合,目前已发展到一个新的水平,本文的目的就是在一篇短文中扼要介绍最近的这些情况,并通过国外最近对一座玻璃熔炉的计算,说明目前的计算方法已足够发展为一种重要的设计手段,需要引起更广泛的重视。     

一种新的拟序火焰模型及其KPP分析

从以Ｐｏｉｎｓｏｔ直接数值模拟结果为基础的拟序火焰模型（ＣｏｈｅｒｅｎｔＦｌａｍｅＭｏｄｅｌ）出发,使用分形几何的方法,提出一个新的火焰面积密度的汇项,以此建立了一个新的拟序火焰模型．在一维稳定湍流预混燃烧的情况下,对该模型进行了ＫＰＰ分析,得到了湍流燃烧速度的分析解．将得到的结果与原模型及Ａｂｄｅｌ－Ｇａｙｅｄ等人的实验数据进行比较．结果表明,该模型在不同过量空气系数、不同湍流强度下求得的湍流燃烧速度都与实验结果能较好地吻合,因而是成功的．     

贫油预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究

对工业燃气轮机所使用的典型贫油预混燃烧室内的不稳定燃烧特性进行了数值研究．应用非定常N—S方程，基于重整化群的RNG k-ε紊流模型及甲烷与空气的单步反应模型，数值模拟了某典型燃烧装置内2种条件下（空气入口速度分别为30和60m／s）的气流流动和压力振荡特性．在2种情况下分别可观察到稳定燃烧和不稳定燃烧，数值再现了由于当量比的扰动产生的不稳定振荡燃烧，所得结果同实验结果吻合很好．在模拟的2种情况下，燃烧可以是稳定的或非稳定的，取决于燃料喷注位置到火焰前沿的迟滞时间．通过改变燃料喷注位置，可使得振荡情况发生变化．所得结果为振荡燃烧的进一步分析和有效控制提供了研究基础．     

卡鲁金顶燃式热风炉预燃室和拱顶流动的数值模拟

应用湍流扩散火焰燃烧模型,对卡鲁金热风炉的预燃室和拱顶内的燃烧过程进行了数值模拟研究,确定了燃烧过程中煤气、空气的速度分布。