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。     

H_2/O_2可燃系统着火时间的极值和临界特性研究及应用

提出了P-T图上反映可爆平面着火时间分布特征的极小值L曲线、极大值H曲线和临界值C曲线,其与临界爆炸曲线一起,使得人们对P-T图上任一状态点能否爆炸以及爆炸过程实现的快慢能够获得全面了解.这3条曲线可以用1.2k1=ks[Ms],(k11/k10+1)k1=ks[Ms]和2k1=ks[Ms]来描述,从而为这些表达式赋予了物理解释,同时也为建立这3条曲线提供了新的途径.基于着火时间的等值线图,用热爆炸理论阐述了爆炸临界曲线具有"Z"字形.进一步,基于着火时间预测平板混合层超燃过程的点火距离,得到了合理的结果.     

获得空间发展槽道流动大涡模拟入口条件的最不稳定波方法

在空间发展流动的大涡模拟中,构造有效的入口扰动是关键。该文提出了利用Fourier分析获得流动最不稳定波的方法来确定入口扰动。结果表明,与同均方差的G auss分布扰动相比,最不稳定波扰动能够显著缩短流动的起涡距离。同时,要达到同样的起涡位置,G auss分布扰动的均方差是最不稳定扰动的350~500倍。可见,提出的最不稳定波入口扰动能够迅速诱发流动本身的K elv in-Helm holtz不稳定,从而提高模拟空间区域的有效性,减小计算量,节约计算时间。     

等离子体低压电极孔对点火起爆的影响

针对以低温等离子体点火起爆的脉冲爆震发动机,研究放电区体积不变,低压电极孔对点火触发爆震发展过程的影响. 以丙烷为燃料,空气和纯氧为氧化剂,充分考虑其详细化学反应动力学机理,将低温等离子体放电区等效为高温高压火核,利用Fluent软件,对不同低压电极孔数和直径的5种点火器结构,进行点火起爆过程数值模拟. 结果显示,低压电极孔数多、直径大,初始阶段放电区压力和温度下降快;爆震管内轴向初始火焰体积随低压电极孔面积增大而减小、火焰传播速度变慢,爆震波峰值压力增加缓慢,DDT时间大幅增加;低压电极孔面积越小,越有利于触发爆震;对多循环工作的PDE,需合理设定低压电极孔数和直径,以获得良好的点火起爆特性.      

含人为粗糙元微小冷却通道内的流动与换热

针对液体火箭发动机再生冷却中的结焦问题,对含粗糙元微小冷却通道内的流动和换热进行数值研究.相对无粗糙元通道,粗糙元能获得3%的换热强化,并使流动阻力增加12%.粗糙元的存在增加了2个热侧壁附近的对流强度和热底壁附近流动的法向速度,提高了流动的湍流脉动,因而强化了换热.研究发现无粗糙元通道出口截面最高温度为330 K, 与最低温度相差36 K, 而含粗糙元通道出口截面最高温度只有312 K, 和最低温度相差14 K. 可见引入粗糙元能够大大改善局部热集中,有利于防止冷却剂的结焦.     

气固两相圆湍射流流动的大涡模拟

针对气固圆湍射流流动采用基于双向耦合的大涡模拟方法进行了模拟,研究了直径为105μm的颗粒的存在对圆湍射流的影响。单相流动的预报结果在射流形态以及时均速度和湍流强度等统计结果方面均与实验结果符合良好。两相流动的时均速度和湍流强度等统计结果与实验结果符合较好,与单相流动的模拟结果相比,105μm的颗粒加入流场后,由于其较快的响应特征起到了阻尼作用,从而降低了气相场的湍流强度。     

平面射流及平面射流火焰中拟序结构的实验研究

在设计和组建了二维平面射流及平面射流燃烧实验系统的基础上 ,对二维平面湍射流流场及平面湍射流燃烧场进行了流场显示实验研究。实验采用烟雾作为示踪粒子 ,由 He- Ne气体激光器产生的激光束经柱面镜后形成片光源实现对流场的照明。实验给出了不同射流伴流速度比下二维平面湍射流的流场显示图像 ,不同的射流发展阶段流场中的大尺度湍流拟序结构的形态及其发展演变情况以及射流燃烧场中湍流拟序结构的形态。实验同时表明 ,在射流燃烧情况下 ,火焰的存在使喷嘴出口处的流动层流化 ,并显著降低初始剪切层的增长     

简化的联合PDF模型模拟湍流燃烧中NO生成

为克服现有工程中模拟污染物生成模型存在的缺陷,采用简化的联合概率密度函数(PDF)模型预报了甲烷燃烧过程,得到的温度场及反应物和产物浓度场与实验结果相符。在此基础上,采用Zeldovich机理及简化的联合PDF湍流反应模型预报了甲烷燃烧过程中热力型NO的生成,并与实验及Arrhenius模型的预报结果进行了比较。结果表明,简化的联合PDF模型给出的NO分布与实验结果相符,而Arrhenius模型的预报值则远低于实验值。说明简化的联合PDF模型能够综合考虑湍流和反应动力学两方面的影响,合理预报NO的生成过程。     

定常均匀流中颗粒均匀分布的稳定性

在双流体模型的框架下,对定常均匀流中颗粒均匀分布的稳定性进行了分析。给出了颗粒均匀分布的稳定性条件。研究了影响颗粒均匀分布状态稳定性的主控参数及颗粒均匀分布稳定的参数范围。讨论了颗粒碰撞恢复系数、颗粒初始体积分数对颗粒聚集的影响。发现随着颗粒Re的增加,系统将会由稳定状态转变为不稳定状态。在初始的颗粒体积分数小于0.015的情况下,系统对短波扰动是稳定的,对长波扰动是不稳定的。在颗粒初始体积分数高于0.015时,系统对短波扰动是不稳定的,对长波扰动则是稳定的。颗粒碰撞弹性恢复系数越小、颗粒初始体积分数越大,颗粒聚集现象越明显,只有在颗粒浓度小于0.0005的情况下,颗粒才不会出现聚集现象。     

矩形射流中的流向涡分布特性及作用

为研究矩形射流中的流向涡形态及其作用,对矩形射流流动过程进行了三维大涡模拟。计算结果表明在矩形射流的发展区中流向涡才开始逐渐增强,在射流中远场流向涡和展向涡在涡强度、前后涡间距等方面大致相当。与规则匀称的展向涡相比流向涡比较杂乱,在射流的横截面上分布很不均匀,旋向相反的流向涡比邻存在。分析结果表明通过流向涡的旋转运动中心射流和环境流体互相掺混,流体在横截面上不同流向涡之间的游走极大地强化了射流的混合过程。