超声速湍流燃烧火焰面模型理论分析

火焰面模型由于具有物理直观、计算效率高等优点，受到了学术界的高度重视，并逐渐被用于超声速燃烧的数值模拟中．但是，火焰面模型是从低速流中发展起来的，超声速流中火焰面模型假设是否成立，火焰面模型能否用于描述超声速燃烧，亟需澄清和证实．基于此，本文从理论上对超声速燃烧流场中是否存在火焰面模式进行判别．首先讨论了湍流脉动与火焰面之间的相互作用，给出了不同作用程度下所呈现的燃烧机制；然后对超燃冲压发动机燃烧室内部湍流流动与燃烧的特征尺度进行计算和比较，用于判定超声速流中火焰面模型假设是否成立，结果发现对预混燃烧，考虑实际低速回流区／剪切层中脉动速度较低，所有飞行马赫数下超声速燃烧流场均满足火焰面模型假设；对于非预混燃烧，除高飞行马赫数下极小部分燃烧流场位于慢化学反应区外，其余也均满足火焰面模型假设；最后以德国宇航研究中心的支板喷氢超声速燃烧流场为例进行数值计算，以便从定量上对燃烧模式进行细致判别，结果发现超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区，且整个流场中火焰面模型假设成立．     

适用于超声速湍流扩散燃烧流动的火焰面模型

为了建立适用于超声速流动的湍流扩散燃烧模型,本文首先分析了火焰面模型应用于超声速流动的物理基础,然后数值模拟了轴对称超声速射流形成的氢气/空气扩散燃烧流场,利用实验数据校正了火焰面模型中重要物理量标量耗散率的模型系数.计算结果与实验数据的对比表明,本文修正后的火焰面模型对超声速湍流扩散燃烧流动的模拟能力是令人满意的.基于火焰面模型理论以及数值模拟结果,本文首次研究了湍流脉动对平均状态方程以及化学反应源项的影响机理,得到以下结论：组分浓度和温度脉动相关项对平均状态方程影响很小;温度脉动会降低水的生成速率,但其影响较小;组分浓度脉动在接近于氧化剂一侧区域增加水的生成速率,而在另外的大部分区域会降低水的生成速率;组分浓度与温度的脉动相关作用会很大程度上降低水的生成速率.     

多孔介质内火焰传播与驻定机理的研究

采用多孔介质内的一维反应流模型和详细的化学反应机理GRI3.0，数值模拟多孔介质内的预混燃烧过程。通过对能量方程中各项大小的考察，以及对火焰传播速度随火焰位置、相间对流换热系数、固体导热系数、消光系数等参数的敏感性分析，深入浅出地阐述了多孔介质中浸没火焰和表面火焰的传播和驻定机理。结果表明，多孔介质中浸没火焰的传播机理与有预热的层流预混自由火焰传播机理相似，表面火焰传播机理与反应区有热损失的层流预混自由火焰传播机理相似。     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

障碍物扰动对预混火焰发展的影响

要 研究了半开口管道中障碍物对预混火焰传播的影响. 结果表明, 由于障碍物引起的扰动, 使火焰在传播过程中不断加速, 同时管内压力上升. 根据火焰速度的量级, 在受限管道中的火焰传播可以分为3种状态: 熄火态、雍塞态和爆轰态. 在贫燃极限附近, 火焰加速一段距离后自动熄灭; 在雍塞态, 最大火焰速度略低于燃烧产物声速, 基本上不受阻塞比变化的影响; 随着当量比的上升, 对敏感气体而言, 火焰传播由爆燃转变为爆轰, 最大火焰速度随阻塞比的增加而降低; 而对于非敏感气体, 则不存在爆燃转爆轰现象. 管内压力随障碍物阻塞比的变化并不呈现单调规律. 同时用非稳态可压缩流体模型模拟了管内的火焰加速和压力发展过程, 计算结果和实验结果吻合得较好.     

澳门友谊大桥“鹦鹉”台风的湍流特性实测和分析

为了探索、了解登陆台风强风过程的湍流特性和空间相关特性,利用设置在澳门友谊大桥主跨桥中相距30m的两台三维超声测风仪实测的"鹦鹉"台风过程数据,在数据可靠性、代表性判别基础上,采用谱分析、数值模拟和统计等方法,重点分析了"鹦鹉"台风过程的强风时段的平均风速和风向特征、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率能谱、空间相关系数和相干函数等.实测数据分析发现:(1)同步观测的两台测风仪获取的台风过程平均和湍流风特性变化均具有很好的一致性,台风的过程风速呈"M"型双峰分布,大于8级强风的风向转换了122°方位角;(2)台风眼壁强风区纵、横和垂直向湍流强度之比为1:0.96:0.36,与规范推荐的1:0.88:0.5相比,横向湍强更大,垂直向湍强较小;(3)台风眼壁强风区积分尺度增大,"鹦鹉"表现在其中心经过前的强风区湍流积分尺度是非台风风况的2倍左右;(4)脉动风空间相关性、相干函数曲线和衰减系数在台风过程的不同时刻存在显著差异,台风眼壁强风区水平向脉动风的空间相关性较强,水平空间相关谱随频率的衰减速度较慢,相干函数的衰减拟合系数C值最小为4.67,小于规范下限值;台风中心经过时刻衰减系数最大为27.75,也较规范给出的上限值大.上述"鹦鹉"的强风特征参数,部分地表征了台风强风的湍流和空间相关特性.     

Soret扩散对层流火焰的影响

在层流火焰中,各个组分的质量扩散具有十分重要的作用,它能够影响甚至控制火焰传播、点火、熄火等过程.通常由浓度梯度引起的Fick扩散是占主导地位的,而由温度梯度引起的Soret扩散则相对较小.因此,在理论分析和数值模拟中,通常只考虑Fick扩散而忽略Soret扩散.但是,以往的研究结果表明,对于氢气或大分子碳氢燃料的层流燃烧过程,当存在较大温度梯度时,Soret扩散的影响不可忽略.本文回顾了Soret扩散影响层流火焰的相关研究,主要介绍了Soret扩散对(1)无拉伸和有拉伸预混火焰的传播速度、点火与熄火,(2)扩散火焰的结构与熄火,以及(3)喷雾燃烧和碳烟生成的影响.     

H2/O2/Ar可燃气体激光诱导火花点火的实验研究

对H₂/O₂/Ar可燃气体激光诱导火花点火进行了实验研究. 采用Nd:YAG激光器产生的 532 nm激光聚焦击穿气体点火, 并采用激光高速纹影系统对不同初压、激光点火能量、氩稀释度可燃气体点火的火焰结构进行了流场显示. 结果表明, 气体击穿形成椭球形等离子体, 稀疏波与等离子体作用, 在等离子体迎光侧和背光侧分别形成一对反旋的螺旋环, 导致等离子体和随后的火焰面向内弯缺, 在等离子体左侧激光轴附近形成一个向外凸出的气瓣. 等离子体的高温气体诱导火花核的形成, 受壁面反射弱激波或压缩波的作用, 初始层流火焰减速. 弧形火焰阵面与壁面的作用及其与激波或压缩波、稀疏波等作用, 导致层流火焰向湍流火焰转捩. 对摩尔比为2:1:10、初压为53.33 kPa, 激光诱导火花点火的激光器最小输出能量为 15 mJ. 随预混气初压的升高, 激光点火能量越高, 降低氩稀释度, 会加快火焰阵面传播速度.     

微纳通道内稠密气体流动和换热的Monte Carlo模拟

使用Enskog模拟Monte Carlo法(ESMC)对稠密气体在微纳通道内的流动和换热进行了模拟, 并与直接模拟Monte Carlo法(DSMC)和一致性Boltzmann算法(CBA)所得的结果进行了对比, 对微纳通道内稠密气体流动和换热特性进行了分析. 结果表明, 当气体密度较大时, 稠密气体效应对流动和换热的影响不可忽略, 这种效应使得通道内壁面阻力系数减小, 且壁面换热特性也与不考虑稠密气体效应时有所不同.     

低Mach数反应流动的格子Boltzmann模型

提出了一种新的易实现的耦合格子Boltzmann(CLB)模型来模拟密度可以有很大变动的低Mach数反应流动. 不同于文献中已有的用于模拟低Mach数反应流动的格子-有限差分混合格式(HLB)和非耦合的格子Boltzmann(NCLB)模型, 模型仅借助格子Boltzmann方法, 并且动量方程、能量方程与组分方程通过密度与温度间的关系耦合. 使用该模型对丙烷预混对冲火焰进行了模拟.     

水蒸气抑制熄灭杯式燃烧器扩散火焰的机理

在自行研制的杯式燃烧器的基础上，采用实验与数值模拟相结合的方法对水蒸气抑制熄灭甲烷／空气扩散火焰的过程进行了研究，分析火焰抑制熄灭现象产生的过程与作用机理，得到了临界灭火浓度与协流氧化剂流量的变化规律．结果表明，水蒸气抑制熄灭杯式燃烧器扩散火焰是典型的局部火焰熄灭机理．随着水蒸气浓度的增加，杯式燃烧器扩散火焰的根部首先向内收缩并悬举至新的稳定高度，当根部反应核的燃烧速率随着火焰温度下降受到极大抑制后，火焰根部的预混区将因更多水蒸气的扩散稀释作用而无法继续维持火焰向外的振荡传播过程，火焰会脱离燃烧杯面而熄灭．破坏火焰根部核心燃烧区的反应条件是熄灭扩散火焰的关键．水蒸气临界灭火浓度在一定的氧化剂流量范围内不依赖于空气流量，在临界灭火浓度曲线上存在一“平缓区”．实验测得的临界灭火质量百分比浓度分别为水蒸气（16．7±0．6）％、二氧化碳（15．9±0．6）％、氮气（31．9±0．6）％，与数值模拟结果合理吻合．     

倾斜圆管内超临界压力CO_2流动换热数值分析

对超临界压力CO_2在内径为10 mm、加热长度为2000 mm、倾斜角度α=45°的倾斜光管内向上和向下两个方向的流动与传热行为进行数值计算.采用SST k-ω低雷诺数湍流模型,通过超临界压力CO_2在垂直光管内向上流动传热的实验数据验证了计算模型的可靠性和准确性,分析了倾斜圆管内壁温度T_(w,i)和对流换热系数h沿圆管轴向和周向的变化规律.基于超临界压力CO_2在类临界温度T_(pc)处发生类气-类液"相变"的"类沸腾"假设,研究了超临界CO_2在倾斜圆管内不同方向流动时顶母线壁温分布产生差异的原因,通过获取圆管横截面内速度分布、物性分布和湍流分布等详细信息,重点分析了产生这一差异的传热机理.计算结果确定了类气膜厚度、轴向速度u、湍动能k和黏性底层厚度δ_(y+=5)是影响不同流动方向时顶母线壁温分布差异的主要因素.     

微重力下环境压力和辐射再吸收对火焰沿薄燃料表面传播的影响

当环境气体不具备辐射特性时(例如环境气体为O2-N2), 在较小的环境压力下, 火焰向燃料表面的热传导是火焰传播的主要驱动力. 但随着环境压力的增大, 火焰传播速度越来越大, 火焰对燃料表面的热辐射逐渐成为火焰传播的主要驱动力之一. 当环境气体具有较强的辐射特性时(例如环境气体为O2-CO2), 在较小的环境压力下, 火焰前沿环境气体的辐射再吸收将强化火焰对燃料表面的传热、热辐射和热传导在火焰传播机理中均起重要作用. 随着环境压力的增大, 氧气向火焰的扩散加强, 燃烧反应加剧, 火焰传播加速. 当环境压力大于一定值时, 进一步增大环境压力, 环境气体的辐射再吸收使火焰对燃料表面的热辐射减弱. 因此, 火焰传播速度反而随着环境压力的增大而减小, 火焰向燃料表面的热传导逐渐成为火焰传播的主要驱动力.     

尾迹撞击平板诱发旁路转捩前期拟序结构的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和PIV实验研究了圆柱尾迹与平板前缘发生直接撞击后平板边界层旁路转捩特性,包括边界层旁路转捩前期拟序结构演化及其对流场统计特性影响.结果表明,尾迹撞击平板后能在平板上表面近壁区生成尺度较小展向涡;这些展向涡或者是尾迹涡被平板前缘切割后在近壁区残留部分,或者是由过前缘尾迹涡所诱生成.近壁区展向涡生成使边界层内流向速度脉动最大值在早期即出现快速增长.另一方面,尾迹对平板撞击作用主要体现在圆柱尾迹中发辫涡结构在流经平板前缘时被撕裂,受RDT机制作用在流向上被迅速拉伸形成近壁区流向涡.其后取代展向涡与条带一起成为近壁区主要流动结构,使流向速度脉动最大值出现二次增长.实验中转捩前期近壁区流体同时感受二维动和三维动,使转捩进程相比于尾迹与边界层不发生直接撞击时更加快速.     

带障碍物圆管内煤气爆燃峰值超压和火焰传播速度研究

带障碍物圆管内爆燃的沿程峰值超压和火焰传播速度值是关系到安全生产的重要数据.本文在一氧化碳爆燃实验的基础上,提出了多级分区模型来计算沿程峰值超压,模型将带障碍物管看成由障碍物隔开的首尾相接的一系列的泄爆腔体.基于数据分析,得到了利用一氧化碳氧化反应当量比、膨胀比、开口面积比等已知参数来计算沿程峰值超压的经验公式,研究发现沿程峰值超压与爆燃过程中的气流湍流因子具有近似线性关系,提出了火焰传播速度的经验公式.     

聚合物小尺寸燃烧中的传热阻碍

固体燃面上方流动和扩散的气体？炭黑（soot）混合介质对火焰热量反馈（包括外界热源辐射传热）的阻碍作用称为火焰传热阻碍,它影响着燃烧速率和释热速率.这一影响应当在火灾蔓延理论模型中定量体现.小尺寸燃烧的机理研究对于全面描述全尺寸火行为至关重要.在火蔓延实验装置上,以非直接测量方式定量研究了不同环境氧浓度时的火焰传热阻碍,并提出了传热阻碍现象的实验证据和测量途径.同时建立了独立于实验的、着重描述火焰介质吸收与发射的一维稳态扩散火焰模型,进一步从物理本质上揭示了现象的机理和规律.研究发现火焰的传热阻碍系数可高达0.3至0.4,且基本不随外加辐射强度变化而变化,但随环境氧浓度升高而增大.实验数据与模型计算结果符合程度较好.     

三维平面转捩射流中的拟序结构

对具有中等雷诺数Re=5000的三维湍流转捩射流中的拟序结构进行了直接数值模拟，并把流场统计结果跟相关的实验数据进行对比，以验证数值算法的可靠性。其中对控制方程组的空间离散采用有限容积方法，时间积分采用低存储的、三阶精度的Runge-Kutta积分格式。重点研究了三维拟序涡结构的空间演化过程及其相互作用，发现三维展向涡的演化模式与二维射流中的相似。展向涡结构受到三维不稳定性的影响，从而会诱发流向和横向涡结构的形成。当展向涡结构出现混合破碎时，流向涡管和横向涡管也开始断裂破碎，流场中形成混合排列的小尺度结构。最后对展向、流向和横向涡结构间的排列关系进行了分析，探讨了各种涡结构间的相互作用。     

二维典型纳米结构的非局域化光学特性研究

由于量子效应的存在,纳米尺度结构所具有的特性很难完全基于经典力学来解释,其光学特性也难以采用经典方法得到.随着时域有限差分(FDTD)方法的发展,其在光学领域中的应用变得越来越广泛.论文基于FDTD方法研究了典型二维纳米结构的非局域光学特性,得到了不同纳米尺度结构的局域和非局域性光学特性存在的条件,分析了结构形状对其消光截面特性的影响.计算与分析结果表明随着纳米结构尺寸的减小及形状的突变,结构的非局域性越明显.我们的理论及结果可为实际小尺度纳米器件的设计提供参考依据.     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

轴流转桨式水轮机压力脉动数值预测

首先利用修正模型系数的RNGκ-ε湍流模型对轴流转桨式模型水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算，经与模型实验结果对比，表明所采用的数值方法和计算结果是准确可靠的．进一步对比分析原型和模型水轮机的计算结果，可以看出原型水轮机压力脉动和模型水轮机压力脉动具有相同的传播规律，但是幅值并不存在相似关系．考虑机组的实际运行状态，在最后部分给出了在考虑转轮流固耦合效应影响下，预估的原型轴流转浆式水轮机压力脉动结果．通过与未考虑流固耦合效应影响的计算结果对比，发现叶片的弹性变形对于水轮机压力脉动的频率和振幅都有降低作用．