燃烧火球浮力涡环实验与数值模拟

为了研究爆炸及燃烧产生的"蘑菇状"烟团的产生机理,在实验室中通过点燃预混过量乙烯和氧气的气泡,产生瞬时燃烧的火球和烟团。纹影法和高速CCD相机直接拍摄法显示瞬时燃烧火球上升时,迅速形成一具有涡环结构的烟团。采用中尺度气象模式RAMS模拟计算相同尺度加热烟团的流动过程。计算机模拟显示产生涡环形状的烟团现象与初始烟团的形状无关,与初始热源温升也无关。浮力涡环产生的机理应是流体的斜压性,即在有重力的条件下浮力的水平差别造成的涡度生成;涡度生成应在轻流体与环境流体相交的侧边界附近。     

旋转坐标系对流体涡旋运动的影响

系统讨论坐标系的旋转对流体涡旋运动的影响 ,分析这种影响在地球物理流体力学相对涡度、速度环量及位势涡度方程的各种形式中的表现 ,以及与流体力学对应的 Helmholtz方程的变形形式 ,通过分析 ,更清晰地揭示科氏力产生 (或制造 )涡度及其影响涡度变化的机理。     

黏性涡环的失稳与多级分叉行为

为了探究液滴撞击液池形成涡环的长期演化行为，以不同浓度的甘油水溶液为对象，研究其在滴入水池后的形态变化，通过高速摄像机对整个过程进行捕捉，发现其由初始液滴形态转变为涡环再到涡环失稳的一系列演化行为，之后分析其失稳与分叉的变化规律与主要影响因素。最后建立了涡环下沉速度的物理模型并进行了数学推导，建立了涡环前锋与尾部的运动无量纲表达式。研究表明，液滴入池后形成的涡环均不会一直稳定生长，而是在某一时刻发生失稳，失稳时刻与液滴本身属性有关。涡环解体为数个下沉的“手指”,在其下沉一定距离后，“手指”前锋沿其运动方向的垂向发生分叉，分叉后继续下沉，并重复出现自相似的分叉行为，且新产生的分叉前锋开始会获得一定程度的相对加速，最终涡环分解为一簇形如“皇冠”的分叉树。自始至终，其前锋与尾部运动均符合衰减运动的规律。本文对于由液滴撞击液池形成的涡环在池中的演变过程进行了时间和空间的拓展，且其由稳定涡环到突然失稳从而转变为分叉树的行为对流体中最复杂的湍流现象的形成机理具有一定的启发意义。     

高能强子—强子碰撞中的多重产生(英文)

本文对强子—强子非衍射散射中的三火球模型作了总结性的评述。这一模型是在西欧中心CERN质子—反质子对撞机(SPS)的最新实验结果的基础上提出来的。这些结果包括:快度中心区的带电多重数满足KNO标度无关性,快度平台升高80%,长程快度关联,以及快度分布和横动量分布与多重数关联等等。模型的基本假设是:在非衍射散射过程中形成三个火球,每个火球的能量分布都是二维振子分布,火球爆破产生的末态粒子数目正比于火球的激发能。在此假定下,利用归一化条件就得到了与实验相符的中心区多重数分布的KNO标度无关性。假定三个火球的平均大小相近,可以得到非衍射多重数分布的KNO标度无关性,与较低能量的实验相符。如果假定中心火球所占比例随能量的升高而增大,可以得到540GeV的多重数分布,与(?)P对撞机实验结果相符。进一步利用能量—动量守恒还可以得到与实验大体一致的快度平台及分多重数快度分布。将63GeV和540GeV的平均多重数的实验值和上述模型中这两个能量下中心火球和两侧火球的大小之比结合在一起,可以看到当能量由63GeV升到540GeV时,两侧火球的大小保持不变。将这一事实向更高能量外推,就可以对更高能量下的多重数分布和快度分布作出预言。本文中就S~(1/2)=900和2000GeV作出了这一预言。在本文的最后,利用三火球模型对非衍射散射过程的物理图象作了一些讨论。     

硅油扭振阻尼器理论分析及实验研究

以涡－流函数法研究了硅油流体在扭振阻尼器内部的流动规律,在一定简化条件下,用有限元法对受叶片初始扰动下的流体流动性态进行了数值模拟,得到了流场规律．通过涡场强度的分析,揭示了有关阻尼机理,并利用频响函数法对典型阻尼减振系统进行了实验．结果表明,文中采用的方法在指导设计中是可行的．     

凹壁不稳定性流动的数值计算

凹壁结构在工业应用的多个领域中都是很常见的,由于离心力不稳定性,流体流过凹壁面附近时可能会产生G?rtler涡。为了研究这些涡的特性及对流场产生的影响,采用CFD技术对曲率半径为2 m的弯曲渠道的流动过程进行数值模拟。用有限体积法对模型进行空间离散,采用大涡模拟中Smagorinsky-Lilly模型进行计算。通过与实验结果进行对比发现,计算结果能较准确的反应G?rtler涡随流动的发展过程。在此基础上进行的分析表明:在速度3 m/s,湍流度0.35%的进口条件下,沿流向流过一段距离后,在靠近凹壁的边界层中产生了G?rtler涡;涡轴平行于流动方向并且相邻涡轴之间的距离保持不变;随着涡在展向和法向空间的增长,速度等值线出现"蘑菇状"结构;靠近出口位置"蘑菇状"结构破裂,流动发生转捩。     

黏性流中的链环涡管演化与螺旋度分析

本文通过直接数值模拟研究了链环涡管在不可压缩黏性流中的演化过程.在初始时刻的链环涡管由两个变形的涡环组合而成,其螺旋度为依赖于涡轴参数方程的解析表达式,进而可利用该初始流场进行涡管演化研究与螺旋度分析.发现当初始链环涡管的涡量方向具有相同手性时,链环涡管和环面纽结涡管的演化具有类似的涡动力学过程;而当它们具有相反手性时,涡管间的强涡量梯度会使两涡环在短时间内产生剧烈的涡重联,从而导致涡环由快速的尺度级串过程达到类湍流状态.     

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.     

甲醇/F-T柴油预混燃烧的数值模拟

应用CHEMKIN-PRO化学动力学软件,构建甲醇/F-T(Fischer-Tropsch)柴油表征燃料-燃烧简化动力学机理(包含101种组分,692个基元反应).利用反射激波管模型模拟甲醇/F-T柴油在柴油机预混燃烧时的燃烧状况,探讨了在不同初始预混燃烧条件和不同甲醇掺混比下甲醇/F-T柴油的燃烧特性.模拟结果表明:初始温度和初始压力的增加都会加快各燃烧反应速率,但初始压力的增加会促进混合燃料完全燃烧,而初始温度的增加会抑制混合燃料完全燃烧;当量比的增加会抑制氧基生成,同时促进氢基的生成,对混合燃料的燃烧反应起抑制作用;随着甲醇掺混比的增加,F-T柴油的消耗速率和中间自由基的生成速率降低,抑制混合燃料的燃烧,氢基的消耗敏感性降低,而羟基和氧基的生成敏感性降低.     

简单α效应的α-ω发电机解和活动区涡度的观测

本文介绍了一个基本的α-ω发电机的数值解,探讨了这种模型中极向场和环向场耦合形成的螺度表征量随太阳活动周的变化,与之前观测中所呈现的螺度参数随纬度和时间变化的特征相吻合.其后,使用太阳动力学天文台日震磁场成像仪的时距日震学方法获得的24太阳活动周的矢量速度场,计算了平均涡度随纬度和时间的变化,观测结果显示涡度在南北半球的符号有相反的特征,另外, 2010–2016平均涡度随纬度逐年的平均变化显示了在不同年份,轮廓线显然不完全重叠.这表示太阳上实际的流体涡旋运动可能存在更为复杂的与时间有关的过程.     

湿法脱硫气水分离涡流管楔形出口气液流实验研究

在涡流管楔形出口处,因出口截面呈楔形收缩影响了气水两相流的流动状态．分析此处的流场,合理安排烟气流速,能够避免产生烟气带水现象．本实验模拟现场工况,得出烟气量、分离管几何尺寸等参数对气水分离效果影响的规律．     

套室内扩散燃烧火灾的三维数值模拟

采用非稳态湍流模型和湍流与化学反应相互作用的涡耗散燃烧模型,对套室内扩散燃烧的火灾进行了三维空间数值模拟.给控制方程添加不同源项以反映化学反应净产生速率对流场的影响,采用交错网格有限容积法将计算区域进行离散,用SIM-PLE算法求解离散控制方程.通过对套间内3种不同释热率情况下火灾的数值模拟,研究了套间内火灾发展、烟气温度分布和燃烧产物浓度分布规律.研究表明火源释热率的大小对烟气温度场的影响较大,对燃烧产物CO2浓度场的影响不很明显.释热率较小时,较短时间内仍能产生大量的烟气;释热率较大时,烟气层迅速形成,温度上升程度更为剧烈.此研究结果对于准确预测套室内火灾传播规律、有效阻止套室内烟气扩散和设计合理的排烟结构有一定的指导意义.图8,参12.     

先进旋涡燃烧室燃烧特性数值模拟

为研究先进驻涡燃烧室的燃烧特性,采用三维数值模拟方法,得出AVC中钝体布置对旋涡稳定性和总压损失系数的影响规律,并恰当选择AVC几何结构.对AVC燃烧和污染物排放特性的研究结果表明,AVC具有燃烧稳定性好、燃烧效率高、污染物排放水平低等优点.     

燃空当量比对液体燃料无焰燃烧影响的研究

以微型燃气轮机为应用背景,设计了基于液雾无焰燃烧的模型燃烧室,以实验为主、数值模拟为辅的手段研究了0#柴油/空气的燃空当量比对模型燃烧室的流场结构、燃烧模式、无焰燃烧范围、燃烧温度及分布和污染物排放的影响.结果表明:燃烧室流场呈现明显的环形回流涡,为高温烟气循环提供了流体动力学基础;燃料喷孔附近的混合情况对整个燃烧模式的转变具有重要影响;该燃烧室工作在无焰燃烧模式的燃空当量比Φ范围为0.25～0.50,无焰状态下燃烧室内温度分布均匀;燃烧室平均温度Tavg和污染排放受到Φ和输入功率的影响,在实验范围内,输入功率相同时,随Φ减小,燃烧室平均温度降低,CO和NOx排放浓度增加,另外,Φ相同时,输入功率越低,Tavg越低,CO排放浓度越大,且输入功率越低CO排放浓度增长越快,NOx受输入功率的影响相对小得多.从实验结果分析,适当提高空气预热温度是增强低燃烧室热密度时的贫燃稳定性、拓展贫燃极限和强化燃烧的有效措施.     

横纵向尺度对圆柱形密闭空间火烟流影响分析

 分析了圆柱形密闭空间内火驱动烟气流动的几何特征。由于顶蓬的拱形形状限制,烟流既沿着顶蓬倾斜向下运动,还将向火区中心水平流动,使得火区上方的烟气沉降速度要较两侧明显加快。采用大涡模拟和混合分数方法,对圆形横截面密闭空间火灾进行数值分析,计算结果验证了圆柱形密闭空间内烟流的几何预测。通过对横向尺寸为6.4m,纵向尺度分别为6m、9m、12m的圆柱形空间火灾烟气温度分布比较,表明随着纵向尺度的增加,受限空间内顶蓬下2cm和顶蓬下D/4处温度值显著下降,且延迟了顶蓬处达到温度最大值的时间。通过对纵向尺度为12m,横向尺度分别为3.2m、6.4m、9.2m的圆柱形空间温度分布比较,表明随着横向尺度的增加,顶棚下2cm和顶蓬下D/4处温度温度同样明显下降,并当横截面尺度为3.2m时,使得受限空间内氧气含量不足,约 160s时火源停止了燃烧。横截面尺度的缩小将限制火源的持续燃烧,使火源热释放速率迅速下降,显著降低火场的危害性。     

利用轴对称行波壁减阻

将已有的无限长行波壁无粘周期分离流的二维解析理论推广到轴对称流,作为研究用柔壁行波主动控制实施减阻的基础．物理上看,在一个特定的临界行波速下会形成自发的周期性分离-再附流,每个波谷的分离区捕获一个稳定的涡环．此涡环列形成“流体滚动轴承”,把近壁流和主流隔开,使前者只有周期性弱剪切．这时,柱体的压阻和摩阻均将趋于零．本文建立了双列交错涡环的理论模型来模拟这个物理图景,证实上述临界波速惟一地存在,并用理论选择行波壁的波形并决定临界波速．发现：在同样波幅下,随柱体半径趋向无限大,临界波速的渐进值并不等于相应的二维值．     

通风控制下建筑物通道内火灾烟气运动的数值模拟

通风控制下的建筑物火灾具有很大危害性.对受通风控制的建筑物通道内的火灾烟气运动进行了数值模拟,给出了烟气温度、速度和组分质量分数的分布.将模拟结果与燃料控制下通道内火灾烟气运动的计算结果进行了对比,揭示了不同燃烧状况下通道内烟气运动与火蔓延的特点.     

混烧锅炉富氧燃烧的数值模拟

富氧燃烧会对煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内的燃烧特性产生重要影响.以130 t/h煤粉和高炉煤气混烧锅炉为研究对象,采用Fluent流体力学软件,对助燃气体(O2/N2)在3种不同氧气体积百分数(21％,23％,27％)工况下煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内的燃烧过程进行数值模拟.模拟得到3种工况下:炉内的温度场分布,烟气流场特性,火焰长度.模拟结果表明:随着氧气浓度的增加,燃料着火速度更快,燃烧更稳定,出口烟温逐渐降低,炉内烟气流速逐渐减少,强化了炉内传热效果,提高了锅炉热效率.     

水平巷道火灾浮羽流及顶板射流积分模型

为研究矿井火灾火源区域烟流流动规律，以便对矿井火灾灾变风流的流动状态进行更详细地描述和计算机动态模拟，分析了矿井水平巷道火灾浮羽流的特性和顶板射流的形成原因，从基本物理定律和守恒方程出发，采用二维平面射流和动量积分分析方法，建立了水平巷道火灾浮羽流和顶板射流的数学模型。此模型经实验和计算检验修正后将作为矿井火灾区域模拟的理论基础。     

过氧化氢改善柴油机燃烧试验研究

采用过氧化氧组液参与柴油机燃烧,可以改善柴油机燃烧过程,使油耗与排放同时降低．从实用角度设计并开发了一种过氧化氢组液供给系统,并在135柴油机单缸机上进行了试验研究．试验结果表明过氧化氢组液消耗量与雾化空气流量成正比,同时受环境温度及湿度的影响;过氧化氧组液改善内燃机燃烧的效果显著;比油耗降低9．5％、碳烟烟度降低ZO％、NOx排放降低3．6％．