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．     

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．     

预混燃烧中火焰长度的变化规律研究

 通过采用不同的组合模型进行湍流燃烧数值模拟的研究,筛选出能与实验结果相吻合的模型,给出了适合该模型系统的网格密度。探讨预混燃烧中火焰长度的影响因素,结果表明：要控制火焰长度应全面考虑空气消耗系数的影响。     

矩形弯管中非预混湍流燃烧的数值模拟

对C3H8/空气在弯管燃烧器中的非预混湍流燃烧进行数值模拟,湍流模型采用RNGk-ε模型,燃烧模型采用守恒标量的概率密度函数(probability density function,PDF)模型,辐射模型为离散坐标(discrete ordinate,DO)模型,压力和速度项的耦合采用SIMPLE算法.在燃料丙烷入口速度不变的情况下,改变空气入口的速度,进行5种工况的模拟.模拟结果表明:随着入口空气速度的增大,燃料和氧化剂分子混合更均匀,燃烧速率升高,燃料浓度迅速减小,温度场高温区提前,火焰空间速度场整体速度增加,湍流强度增强,径向压力梯度增大.由此,可以通过控制空气入口的速度,控制火焰空间速度场速度的大小以及燃烧进行的程度.考虑到提高燃烧效率的问题,在保证燃料充分燃烧的情况下,尽量减少空气入口的速度,以达到工业目的.     

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.     

用于模拟湍流射流扩散燃烧的条件矩模型

采用Bilger提出的条件矩模型对CH4－CO2湍流射流扩散燃烧进行了数值 模拟。对于湍流流和混合分数场采用k-ε-f-g模型,对于组分浓度场采用条件矩模型的抛物线型方程。将速度场、温度场和主要组分（CH4和CO2）浓度场的模拟数据与美国Sandia国家实验室的实验数据进行了对照。结果表明条件矩模型能够较好地反映扩散燃烧的火焰结构,是湍流燃烧模型研究的一种值得探讨的有前途的方法。     

湍流粉煤燃烧和稳定性的数值模拟

对炉内粉煤两相湍流燃烧过程作了数值模拟，计算结果与实验数据较为吻合．同时，用气相燃烧的火焰稳定性模型对煤粉燃烧的火焰稳定性作了初步分析，并与实验结果进行了比较     

障碍物诱导的湍流加速火焰流场的数值模拟

该文基于湍流的ｋ－ε模型和改进的ＥＢＵ－Ａｒｈｅｎｉｕｓ燃烧模型,对有障碍物情况下的湍流加速火焰现象建立了两维均相反应模型。障碍物对流场的影响不仅考虑到采用空度函数,还考虑了障碍物对流动产生的附加阻力的作用。壁面边界层区域则采用壁面函数法处理。选取Ｓｉｍｐｌｅ格式数值求解,其计算结果模拟了障碍物诱导的湍流与燃烧耦合作用下的流场的发生和发展的全过程,揭示了障碍物、湍流、火焰之间相互加速的正反馈机理     

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.     

预混气体在多孔介质中燃烧火焰面倾斜的演变

为研究多孔介质中火焰面倾斜演变及出现倾斜演变的原因,建立了二维碳化硅堆积小球的多孔介质燃烧器双温模型,对预混气体在燃烧器内的流动、传热和燃烧进行模拟.分析火焰面倾斜演变,并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变现象进行分析.结果表明:给定初始倾斜角的火焰面会持续发展,出现更严重的倾斜现象;温度场、气体流速场、动压场通过影响燃烧化学反应速度、气体流动方向、壁面散热等间接影响火焰面的倾斜演变,导致火焰面倾斜的持续发展.     

多孔介质燃烧的二维数值模拟

利用商业软件FLUENT6 2结合用户自定义标量和用户自定义函数,采用二维稳态模型和简单化学反应机理,对堆积床内丙烷/空气预混燃烧进行了数值模拟,并与实验结果进行对比.结果表明,由于壁面粘性和壁面散热的影响,多孔介质燃烧火焰呈现明显的二维结构.所以在实际的燃烧器设计中应考虑壁面带来的影响.     

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.     

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.     

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.     

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。     

不同加湿模式下甲烷湍流燃烧特性数值模拟

为研究水蒸气对甲烷燃烧的影响,基于简化的24步甲烷气相反应动力学机理,通过数值模拟的方法研究了在助燃空气和燃料中分别添加同体积的水蒸气对甲烷同轴湍流扩散火焰流场、组分浓度分布及污染物生成的影响,重点分析了中间产物OH基团对燃烧温度、污染物生成的影响.结果 表明:添加水蒸气后,两种加湿方式下整体燃烧室温度均降低,燃料预混水蒸气燃烧方式下降低幅度较大;该模式下对控制污染物排放效果优于空气预混水蒸气,最后基于燃烧稳定性和控制污染物排放确定了一种最优的蒸汽燃料预混比例为71.4％ CH4/28.6％ H2O.     

用混合燃烧模型研究缸内直喷醇类燃料发动机的燃烧

通过引入湍流燃烧延迟系数，将单步不可逆反应模型和漩涡破碎燃烧模型结合在一起，建立了一个新的混合燃烧模型．利用混合燃烧模型对一台采用火花点火、缸内直喷、周向分层燃烧系统的醇类燃料发动机的燃烧过程进行了三维数值模拟，计算所得的缸内压力和燃烧放热速率与实验结果吻合良好．模拟结果表明，在缸内直喷醇类燃料发动机中，混合气能稳定地实现由浓到稀的周向分层，醇类燃料高的汽化潜热导致混合气温度较低，燃烧过程中预混燃烧与扩散燃烧并存，燃烧速率非常快．     

穿透风对外部燃烧火焰影响的数值模拟

为研究室内火灾的外部燃烧现象,该文应用FDS(fire dynamic simulator)程序,采用大涡模拟(LES)湍流模型,对穿透风对外部燃烧火焰的影响进行了数值模拟研究。计算结果解释了Law的经验公式与Klopovic的实验观测之间的矛盾,并且给出Law经验公式的适用范围。计算结果显示,存在两个穿透风的临界速度当穿透风风速大于第一临界速度时,Law的关于外部燃烧火焰高度的公式定性正确;当穿透风风速大于第二临界速度时,Law的关于外部燃烧火焰长度的公式定性正确;数值计算得到的火焰宽度随风速的变化趋势与Law经验公式的预测结果相反,但与Klopovic的实验观测一致。     

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.     

强旋湍流气相燃烧数值模拟

对液排渣立式旋风炉前置室的流场进行了数值模拟，建立了前置室内三维气相燃烧流场的数学模型，计算采用ＳＩＭＰＬＥ算法，其中湍流计算采用有旋流修正的ｋ－ε模型，气相燃烧采用ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ模型。计算结果证明，该模型在求解强旋湍流有回流的气相燃烧注场是可行的。