不同化学热力学建表参数对火焰面模型精度的影响研究

火焰面模型通过对燃烧过程的降维可以大幅减少求解燃烧场中化学反应所需的计算量.基于一维层流对撞火焰的数值解,构建了层流稳态火焰面模型(SFM)的化学热力学数据表并用于射流火焰的数值模拟.对所得到的火焰面数据表,分别采用基于混合分数和标量耗散率(Z,χZ)以及预混火焰面生成流形(FGM)方法中的混合分数和反应进度变量(Z,Yc)两种参数形式进行查表.通过火焰面坐标变换的方法,分析平面火焰中的流形特征,研究使用不同参数形式查询火焰面数据库对所得到的模拟结果的影响.两种查表方式得到的解与采用计算化学反应源项输运方程的直接数值求解方法(DNS)得到的解的对比结果表明,使用(Z,Yc)查表参数形式得到的解相比直接采用(Z,χZ)查表参数形式得到的解,更接近于DNS方法得到的解.     

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.     

2.5MW煤粉氧燃烧旋流火焰数值计算

为了准确地数值预报煤粉旋流火焰特征和主要烟气成分,比较扩展的涡耗散模型在多湍流模型下的预测性和影响,针对IFRF(国际火焰研究基地)2.5MW煤粉氧燃烧和空气燃烧实验,利用组分输运方程,结合7步改进的总包反应,对炉内煤粉氧燃烧进行数值计算,并与实验结果和空气燃烧基况对比.结果表明:氧扩散率、发射率和比热容等物性参数修正后,湿循环、氧预混二次流的煤粉氧燃烧扩散火焰温度场与空气燃烧总体一致,火焰稳定且为Ⅱ型火焰结构;EDC模型(涡耗散概念模型)对组分预测更为准确,尤在可实现k-ε模型下的缓慢反应CO生成和IRZ(中心内回流区)高温预测;而FRED模型(有限速率涡耗散模型)在多湍流模型下对炉内温度、组分、火焰结构预测亦较准确.     

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

高温下掺氢天然气层流预混火焰传播特性

利用本生灯-纹影系统及CHEMKIN-PRO对高温下掺氢天然气层流预混火焰传播速度进行实验及数值模拟研究,并从热力学及化学动力学效应方面讨论了初始温度对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响.结果表明:GRI-3.0机理能较准确地预测293~500K条件下的掺氢天然气层流预混火焰传播速度;在相同初始温度下,混合物层流预混火焰传播速度在高掺氢比时增幅更显著;在相同当量比下,混合物层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度的升高呈近线性增加;高温下,H自由基浓度的增大进一步增强了H+O₂=O+OH对整体燃烧反应的促进作用,使混合物层流预混火焰传播速度显著加快.     

正庚烷部分预混对冲火焰中苯环的生成机理

采用详细反应机理对正庚烷部分预混对冲层流火焰中苯环与乙炔的生成进行了模拟,反应机理包括108种组分的572个基元反应.通过数值计算分析了部分预混对冲火焰的结构和主要反应物、反应生成物(O2、 n-C7H16、 CO2、 CO、 H2、 H2O)、中间产物(CH4、 C2H4、 C2H2、 C3Hx)以及苯的浓度分布,计算结果与实验结果吻合良好,说明该机理可以用于正庚烷层流对冲火焰中产物的预报.采用灵敏度分析与反应流分析方法对结果进行了分析,得出了正庚烷层流火焰中从正庚烷到苯环在低温(≤1 300 K)和高温条件下的主要反应链.     

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.     

气体协流水雾作用下层流预混火焰拉伸规律

在气体协流管式燃烧器研究的基础上,利用高速纹影系统对细水雾作用下层流预混火焰拉伸、熄火规律进行了实验研究,并分析了细水雾抑制气体预混火焰的条件.实验结果表明：火焰面拉伸规律与燃料浓度、气体流量以及水雾雾滴直径有关;对于大滴径协流水雾,水雾载荷比越小,火焰面拉伸现象越明显.     

碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究

在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析。研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小。利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度。     

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。     

隧道出入口平面线形一致性

针对现行公路隧道设计规范对隧道进出口处平面线形一致性缺乏明确判别标准,提出了方向盘冻结3s导致的行车轨迹同原有路线的偏移值作为线形一致性的控制性指标,控制阈值取0.2m.对3种不同设计条件下的隧道线形一致性进行分析,发现缓和曲线参数是影响平面线形一致性的重要指标.通过理论推导给出不同设计条件下隧道进出口平面线形一致性的判别标准,使设计者能在保证线形安全的前提下对隧道进出口平面线形进行灵活设计和评价.应用该研究成果对龙庆高速公路某隧道洞口的线形一致性进行了分析,提出了相应的改进建议.     

相互作用场的量子化规则

使用场方程和量子运动方程的一致性条件,证明了相互作用场系统不同场间的量子化规则:不同费米场互相反对易而不能对易;不同玻色场互相对易而不能反对易;费米场与玻色场必须对易而不能反对易。     

正六边形网格的3D相容性条件

经典复分析的离散化是一个重要的研究课题。依据有向四角形图可以定义离散柯西-黎曼方程,四角形图相容性结论已经得到,正六边形网格的相容性问题可以利用四角形的离散柯西-黎曼方程进行研究,得到正六边形网格3D相容性的充分条件。     

聚合物驱垂直井筒流动和视粘度模型

与常规油井相比，聚合物驱抽油机井因其产出液粘度明显增大导致抽油杆受力状况变差，杆管偏磨现象严重。通过实验对聚合物产出液的流变特性进行了研究。考虑油井举升过程，利用幂律模式绘制了幂律指数与稠度系数随聚合物浓度、温度变化的关系图版。以非牛顿流体流变学理论和人工举升理论为基础，按照不同的流动规律，给出了从地层到井口聚合物驱垂直井筒流动的运动方程及其边界条件，并对方程进行求解得到了视粘度模型。应用结果表明，该模型能够提高设计结果的误差精度，为聚合物驱抽油机井的优化设计提供理论指导。     

线性代数方程组通解行处理法

利用Gram-Schmidt正交规范化方法给出了一种判断任意线性代数方程组相容性以及确定此方程组解结构的数值方法,分析了对应算法的计算复杂度、数值稳定性及内在并行性.     

基于高斯伪似然的正定相关阵估计及其应用

基于高斯伪似然方法提出一种广义估计方程中工作相关阵的相合正定估计方法, 并证明了无论工作相关阵是否被正确指定, 所提出的AR(1)、 等相关和MA(1)工作相关阵的高斯伪似然估计均为正定的. 模拟结果表明, 基于正定相关阵估计广义估计方程的回归参数估计是高效的.     

关于线性矩阵方程的反对称解

讨论了线性矩性方程AX=C，AXB=C的反对称解.分别用满秩分解、广义逆和广义奇异值分解导出了具有反对称解的充分必要条件.     

半参数计量经济联立模型的局部线性广义矩变窗宽估计

提出半参数计量经济联立模型的局部线性广义矩变窗宽估计,并在随机设计(模型中所有变量为随机变量)下,利用极限理论研究了估计的大样本性质.研究结果表明:参数分量估计具有一致性和渐近正态性且收敛速度为n-1/2;非参数分量估计在内点处具有一致性和渐近正态性,其收敛速度达到了非参数函数估计的最优收敛速度.     

单层平面索网幕墙结构非线性分析

针对单层平面索网幕墙结构静力分析的特点,提出了二节点直线杆单元有限元模型。建立了非线性有限元基本方程,利用Newton-Raphson法进行计算,编写了相应的有限元程序。结合实例对索网结构的位移和应力进行了计算分析,并与ANSYS软件计算结果进行了对比,二者吻合较好。分析结果表明此单元模型有较好的精度,能适用于单层平面索网幕墙结构的非线性分析。