预混湍流火焰结构的分形特征

使用分形几何学的方法,对由高速纹影摄影法获得的容弹内预混湍流火焰照片进行了处理,结果表明,容弹内预混湍流火焰结构具有分形特征,可以用分数维数来定量描述其折皱扭曲程度及与湍流强度的关系。     

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.     

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．     

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.     

二甲醚层流预混火焰试验及数值模拟

为了研究层流预混火焰中二甲醚的氧化分解路径,利用同步辐射真空紫外光电离及分子束取样质谱技术,测量了二甲醚浓燃火焰主要物种及主要中间物种的摩尔分数空间分布曲线。基于典型的二甲醚燃烧化学反应机理和CHEMKIN化学反应动力学模拟软件,对相同条件的一维平面火焰进行了数值模拟,结合试验及数值模拟结果对二甲醚的氧化分解路径进行了分析。研究结果表明:甲醛和甲基是二甲醚燃烧过程中最主要的C1中间物种,乙烯和乙炔是主要C2中间物种;浓燃条件下,二甲醚主要通过脱氢反应消耗,使二甲醚产生脱氢反应的最主要的原子是H,其次是OH、CH3和O;二甲醚的脱氢产物甲氧基甲基极不稳定,在火焰中一经生成马上就被消耗掉,试验中没有观测到它的存在;CH2O脱氢生成HCO,HCO脱氢生成CO,CO再被OH氧化成CO2;反应CO+OHCO2+H是火焰后期生成CO2的主要方式。     

部分预混层流火焰结构的数值研究

针对部分预混层流火焰,在分析了常见火焰面方程不足的基础上,使用了一套详细考虑了组分不同输运系数的火焰面方程对其进行数值模拟.模拟结果与物理空间求解结果间的比较表明,此套方程能够在保证相容性的同时获得相当好的模拟精确度.此外,在火焰面方程中采用不同的标量耗散率模型对部分预混火焰进行了数值计算,结果显示标量耗散率模型的精确程度对于模拟结果有着重要影响.进一步利用火焰面方程数值研究了部分预混层流火焰结构对于标量耗散率变化的响应,捕捉到其在低标量耗散率下区别于非预混火焰的双火焰结构的存在,并讨论了此现象产生的原因.     

湍流预混射流火焰直接模拟中入口条件的确定

该文对甲烷-空气湍流平面射流预混火焰进行了直接数值模拟。射流入口的扰动速度数据依据给定的湍流能谱生成,利用入口处的湍流积分长度尺度和湍动能确定了能谱的峰值波数。计算结果给出了气体温度、质量分数和涡量模的瞬态分布,表明在剪切层内随着旋涡尺度的增大出现了拟序结构。化学反应受到湍流的作用,瞬时反应面出现了明显的皱折,反应面积增大。沿射流中心线,湍动能逐渐衰减,温度脉动和甲烷质量分数脉动均方根值则逐渐增大。     

平面管道内钝体后湍流预混火焰的数值分析

本文基于运用SCASM 燃烧模型的“k—ε—gr”湍流模型,借助于GM80通用程序对平面管道内钝体后的湍流预混火焰进行了数值分析.计算得到的火焰扩展角大约为2°,和与来流状态无关的结果与普遍承认的实验结果一致。本文给出并求解了控制反应度脉动均方值gr 的微分方程,从而构造了“k—ε—gr”湍流模型;提出了以最大温度脉动值的轨迹作为火焰面的数学表征的建议;考虑了SCASM 燃烧模型中局部温度对层流火焰传播速度的影响;给出了计算近壁区gr 值的壁面函数.     

预混火焰面附近的湍流特性测量

为考察预混火焰面附近的湍流特性,以及湍流与化学反应相互作用的机理,采用激光多普勒技术(laser Doppler anemometry,LDA)对本生火焰和V型火焰的流场进行了诊断。分别通过固体粉末和雾化硅油液滴进行无条件和条件示踪,研究了全场及反应物来流的流动特性。无条件示踪的测量结果表明,火焰区的流场存在湍流度迅速增大然后衰减的现象,而速度的测值呈现双峰分布。条件示踪测量结果表明,在火焰区内反应物来流的流动特性并没有发生明显的改变。在剪切流场中,火焰面的脉动和皱褶不显著影响上游反应物的流动特性。     

预混火焰面附近的湍流特性测量

为考察预混火焰面附近的湍流特性,以及湍流与化学反应相互作用的机理,采用激光多普勒技术(laser Doppleranem ometry,LDA)对本生火焰和V型火焰的流场进行了诊断。分别通过固体粉末和雾化硅油液滴进行无条件和条件示踪,研究了全场及反应物来流的流动特性。无条件示踪的测量结果表明,火焰区的流场存在湍流度迅速增大然后衰减的现象,而速度的测值呈现双峰分布。条件示踪测量结果表明,在火焰区内反应物来流的流动特性并没有发生明显的改变。在剪切流场中,火焰面的脉动和皱褶不显著影响上游反应物的流动特性。     

合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究

利用OH-PLIF方法获得了当量比分别为0.6、0.8、1.0、1.2,CO2或N2稀释比分别为3%、5%时,合成气/空气/稀释气本生灯预混层流火焰中OH基的分布,结合STAR-CD模拟计算所得火焰中的流场和组分分布进一步分析了火焰结构。研究结果表明:随着混合气当量比的增加,OH基高浓度分布区域由火焰前锋面附近转移到火焰边缘;混合气较稀时,火焰前锋面附近OH基浓度最高且沿已燃区方向逐步递减,火焰顶端处OH基浓度减小,模拟计算结果显示火焰顶端并未发生燃料泄漏;化学当量比下,火焰前锋面附近和火焰边缘区域OH基浓度较高,火焰前锋面附近出现了预混燃烧区和扩散燃烧区,该区域中OH基呈现"W"型分布;受N2和CO2稀释的影响,混合气层流燃烧速度降低,火焰前锋面拉长,CO2对火焰结构的影响比N2更显著;火焰前锋面附近OH基浓度减小,扩散燃烧区OH基浓度增大,说明火焰的预混燃烧有所减弱,扩散燃烧有所加强。     

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     

涡方法数值模拟高雷诺数圆柱绕流

圆柱绕流问题是二维物体粘性绕流的基本问题.二维N-S方程的各种差分求解格式往往难以用来实际计算高雷诺数流动问题。80年代中期以来,Stansby等发展了70年代初Chorin提出的随机点涡法,用网格涡方法计算点涡的对流速度,大大减小了计算量,笔者采用Stansby等发展了的随机点涡法,对雷诺数2000的圆柱绕流进行了数值模拟。     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态,计算了双圆柱在并列,级列的情况下的各种流动结构,涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况,计算结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况,与实验显示的流动状况十分相似,斯特罗哈数与阻力系数无与实验结果相符。     

高雷诺数情况下钝体绕流的数值模拟

在高雷诺数 (Re=1× 1 0 4)情况下 ,利用流函数———涡量法在二维空间对半圆半椭圆的拼接体 (新月形覆冰导线的截面 )绕流流场的流动结构、涡的变化及气动力特性进行数值模拟 .将模拟过程用于圆柱体和半圆半椭圆拼接体 ,结果与前人的研究结果及试验值相吻合 ,验证了此数值模拟过程的合理性     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态．计算了双圆柱在并列、级列的情况下的各种流动结构,涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况．计算结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况,与实验显示的流动状况十分相似,斯特罗哈数与阻力系数均与实验结果相符．     

高雷诺数下的均匀各向同性湍流运动

湍流涨落运动或称脉动,是由流体中许许多多涡旋所组成。由于不论在空气动力学的风洞实验、大气或河流中,涡旋的尺寸都比,例如,空气分子的平均自由程要大得多,湍流涨落运动也是宏观的物理现象。因此湍流运动必须服从奈菲尔—斯托克司运动方程,或者如存在湍流剪应力的运动情形下,满足根据雷诺的平均方法从奈菲尔—斯托克司方程导出的平均运动方程和速度脉动方程。在1957年我们曾提出:求上述方程的涡旋运动解,并根据不同的流动情况引进角动量守恒或其它条件来确定解的数学形式,然后用平均方法计算有关物理量的平均值,作为湍流研究工作的一个新方向。     

旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰的数值模拟

为研究瓦斯燃烧器的火焰特性 ,采用k ε湍流模型、三气体扩散燃烧模型及综合辐射模型 ,对旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰进行了数值模拟。研究结果表明 ,在旋流作用下 ,在火盆及其前端附近区域内形成了中心回流区 ,使燃气与助燃空气在此处发生剧烈掺混而被点燃 ,这有利于火焰稳定。在火焰前端仍存在一个高温尾流区 ,在选用和设计燃烧器时应充分考虑这一现象。燃气喷孔直径对火焰长度的影响非常显著 ,喷头顶部气孔位置和火盆锥口角对火焰长度影响较小。随着空气过剩系数和燃气中空气含量的增加 ,火焰长度明显减小。在实际应用中 ,应充分考虑燃烧器结构和操作条件的影响 ,以提高加热炉的效率和安全性。     

旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰的数值模拟

为研究瓦斯燃烧器的火焰特性，采用κ-ε湍流模型、三气体扩散燃烧模型及综合辐射模型，对旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰进行了数值模拟。研究结果表明，在旋流作用下，在火盆及其前端附近区域内形成了中心回流区，使燃气与助燃空气在此处发生剧烈掺混而被点燃，这有利于火焰稳定。在火焰前端仍存在一个高温尾流区，在选用和设计燃烧器时应充分考虑这一现象。燃气喷孔直径对火焰长度的影响非常显著，喷头顶部气孔位置和火盆锥口角对火焰长度影响较小。随着空气过剩系数和燃气中空气含量的增加，火焰长度明显减小。在实际应用中，应充分考虑燃烧器结构和操作条件的影响，以提高加热炉的效率和安全性。     

亚临界雷诺数下圆柱体尾流结构的数值模拟

在典型亚临界雷诺数下,运用基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对均匀来流作用下的圆柱体绕流问题进行三维数值模拟.通过比较基于时间积分的平均积分分量,验证了数值计算结果的准确性,然后分析了尾流区的流场结构,并给出了平均流场以及湍流流场的流场特征.此外,解释了数值结果与早期试验结果间存在微小差异的原因,同时指出回转长度是尾流结构特性中最重要的特征参数.