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.     

随机堆积床内甲烷/空气预混燃烧过程的数值模拟

通过离散元软件LIGGGHTS重现球体的重力堆积过程,建立三维随机堆积床几何模型.利用大涡方法结合双温度模型以及EBU-Arrhenius燃烧模型,模拟了甲烷/空气预混气体在堆积床内预混合燃烧过程.通过将模拟结果与实验数据对比验证了模型的有效性,在此基础上对随机堆积床内部的火焰分布结构、火焰面形状及温度分布规律等进行了分析.模拟结果表明:在燃烧后期,堆积床内的小球温度要高于同一高度上气体的温度,这体现了多孔介质良好的蓄热能力;壁面与轴线间的火焰面高度差远远小于无多孔介质的管内燃烧情况,表明随机堆积床可以通过分割火焰来提高燃烧的均匀性和稳定性.     

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。     

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.     

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．     

火焰面方法进展及在燃机燃烧室模拟中的挑战

现代燃气轮机燃烧室参数持续提高，燃料种类不断丰富，燃烧技术深入开发，这对燃机燃烧过程数值模拟方法的发展提出了更高的要求。火焰面方法兼具准确性和计算效率高的特点，是燃气轮机燃烧室成熟数值模拟方法的主要选择之一。该文针对燃气轮机燃烧室未来多工况、高参数、低污染的发展趋势，从火焰面方法在自适应湍流燃烧模型中的应用、进度变量的优化选择、湍流燃烧耦合模型以及火焰面方法在污染物预测中的应用等4个方面，回顾了火焰面方法的相关模型及适用范围，分析了该方法在燃气轮机燃烧室中的应用及面临的挑战。在此基础上，对火焰面方法在未来燃气轮机燃烧室模拟中的发展方向提出了针对性建议。     

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.     

改进的K-ω模型在亚音速漩涡流动中的应用

基于非结构网格,采用经典的wilcox k-ω模型和其改进的kω-Pω模型,建立了用于模拟大攻角旋涡流动的计算方法.以尖前缘的65°三角翼为例,模拟了旋涡的产生、发展、破裂过程,验证了wilcox k-ω模型和kω-Pω模型在典型的亚音速计算状态下对复杂涡系干扰的模拟能力.通过对多种计算的流场与气动力详细结果的比较分析,就两种湍流模型对大攻角复杂旋涡流动的预测能力和敏感性等进行了评估.结果表明:kω-Pω模型通过r值区分剪切层和涡核区域,从而对涡核区域的涡黏性进行修正.对最后的模拟结果有一定的修正作用,可以作为湍流模型修正的一个方向.RANS方法在预测涡破裂点位置和二次涡的强度及位置方面仍存在很大的缺陷.     

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.     

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.     

火焰动力学及其对热声稳定性的影响

火焰动力学特性对燃烧系统热声振荡的准确预测和控制具有重要的意义。该文介绍了作者团队近年来针对不同应用背景下的火焰动力学特性在理论建模和实验验证方面的研究，包括理想非预混射流火焰、钝体预混火焰、值班火焰等组织方式以及多维扰动下的火焰动力学特性。其中：通过Green函数法建立了非预混火焰的分布式火焰传递函数；通过火焰面方程和离散涡模型研究了涡和火焰面的相互作用机理；通过双火焰面模型研究了值班火焰和主火焰之间的相互作用机理；通过非对称火焰模型，研究了火焰对不同方向扰动的响应特征。结果表明，将火焰动力学模型与声学网络模型结合分析，可以得到火焰动力学对燃烧室热声稳定性的影响机制。     

湍流大涡模拟的时空关联方法

本文介绍了湍流大涡模拟的时空关联方法,它用于检验和发展大涡模拟的亚格子尺度模型,其目的是提高大涡模拟方法对于欧拉和拉格朗日时空关联的预测准确度.现在广泛使用的湍流涡黏亚格子模型的理论基础是能量平衡方程,它们能够正确预测湍流的空间能量谱,但不能正确预测湍流的时间能量谱.本文针对大涡模拟的时间尺度问题,从时空耦合的观点出发,综述了作者近年来在时空关联方法方面的研究工作.理论分析和数值模拟结果表明,大涡模拟总是高估湍流的时间尺度,其物理机制是涡黏亚格子模型仅能耗散小尺度能量,但不能反映亚格子涡对大尺度涡的随机反馈作用.小尺度湍流会影响颗粒的聚集程度和相对扩散.建立亚格子湍流的拉格朗日时间尺度模型,为携带颗粒湍流大涡模拟中基于随机微分方程的颗粒相亚格子模型提供封闭参数,并用于颗粒湍流扩散的大涡模拟.     

基于大涡模拟的湍流非预混燃烧混合分数概率密度函数

混合分数概率密度函数(probability density function,PDF)反映了湍流对燃料和氧化剂混合过程的影响,在湍流非预混燃烧的理论研究和数值模拟中有非常重要的作用。该文基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)对非预混火焰中的混合分数PDF进行了研究。利用LES预测的SandiaFlame D的速度和温度的均值和均方根分布与实验结果符合很好,瞬态温度场显示了合理的湍流火焰形态。混合分数PDF在反应区为钟形分布,在贫燃侧和富燃侧为钟形分布或单调形分布,取决于当地流场状态。对简化PDF模型的研究表明:β函数模型对钟形PDF和单调形PDF的预测效果都很好;截尾Gauss函数模型只能较好地预测钟形分布PDF;多点δ函数模型的预测能力与截尾Gauss函数模型的预测能力类似;双δ函数模型的预测结果偏差较大。     

燃烧模型对甲烷/空气非预混数值模拟的影响

对甲烷-空气的钝体燃烧进行了数值模拟,考虑了流体的湍流流动和扩散火焰燃烧的相互作用.模拟分别采用化学平衡模型和GRI - Mech 3.0反应机理的非预混燃烧稳定层流小火焰模型.通过与文献实验数据的比较,分析了上述两种模型的模拟结果和Mobini等人的条件矩平衡封闭模型的模拟结果的准确性.研究表明,上述3种燃烧模型的计算结果与实验结果均存在不同程度的误差,说明现有的燃烧模型尚需进一步完善.     

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.     

改进的k-w模型在亚音速漩涡流动中的应用

基于非结构网格,采用经典的wilcox k-ω模型和其改进的kω-Pω模型,建立了用于模拟大攻角旋涡流动的计算方法。以尖前缘的65?三角翼为例,模拟了旋涡的产生、发展、破裂过程,验证了wilcox k-ω模型和kω-Pω模型在典型的亚音速计算状态下对复杂涡系干扰的模拟能力。通过对多种计算的流场与气动力详细结果的比较分析,就两种湍流模型对大攻角复杂旋涡流动的预测能力和敏感性等进行了评估。结果表明：kω-Pω模型通过r值区分剪切层和涡核区域,从而对涡核区域的涡粘性进行修正,对最后的模拟结果有一定的修正作用,可以作为湍流模型修正的一个方向;RANS方法在预测涡破裂点位置和二次涡的强度及位置方面仍存在很大的缺陷。     

两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟

为研究旋流火焰结构,采用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型及Smagorinsky-Lilly和K方程亚网格湍流模型,对美国Sandia国家实验室测量的旋流火焰进行了大涡模拟,得到了与燃烧场速度、温度和温度脉动实测值相吻合的模拟结果。预报的瞬时温度分布云图与实际火焰的形状很相似。K方程亚网格湍流模型预报的瞬时温度分布比Smagorinsky-Lilly模型的预报结果更接近实际。燃烧火焰基本上位于回流区所在的位置,火焰在回流区被稳定。     

两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟

为研究旋流火焰结构,采用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型及Smagorinsky-Lilly和K方程亚网格湍流模型,对美国Sandia国家实验室测量的旋流火焰进行了大涡模拟,得到了与燃烧场速度、温度和温度脉动实测值相吻合的模拟结果。预报的瞬时温度分布云图与实际火焰的形状很相似。K方程亚网格湍流模型预报的瞬时温度分布比Smagorinsky-Lilly模型的预报结果更接近实际。燃烧火焰基本上位于回流区所在的位置,火焰在回流区被稳定。     

火焰清理工艺中平行多孔射流非预混燃烧的研究

建立了远程控制燃烧试验台,研究了天然气和氧气的非预混燃烧过程,利用间接测温法分析了多孔射流燃烧火焰的温度分布规律.利用Realizable k-ε湍流模型研究平行多孔射流的流场特性,采用平衡化学反应模型研究射流的非预混燃烧过程,数值计算得出的火焰结果与试验数据吻合较好.结果表明:多孔射流的卷吸与合并能够加快气体的混合与燃烧;平行分布的45股射流在喷嘴出口附近趋于形成双孔合并,随着流动发展会发生再合并,最终表现为3股强射流火焰形态.     

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．