拉伸层流预混火焰化学热力学建表方法研究

通过求解物理空间上简化的层流甲烷/空气对撞预混火焰面方程,获得不同当量比下考虑拉伸效应的火焰面高维数据。为更准确地描述流动与燃烧的相互作用,采用基于矩阵分析的主成分分析法(PCA)对火焰面高维数据进行分析,并选用分析出的前两个主成分作为新的建表特征标量,进而构建考虑拉伸效应的层流预混火焰化学热力学表。相比于已有的拉伸层流预混火焰面建表方法,使用PCA方法得到的两个建表特征标量之间不相关,无需条件概率密度信息。同时PCA方法具有一定的通用性,可以推广到不同燃料不同当量比下的拉伸层流预混火焰面建表中。     

不同湍流预混燃烧模型在本生灯火焰中的比较

湍流预混燃烧的大涡模拟数值计算近来受到很大的关注,为了进一步发展湍流预混燃烧模型,利用正在发展的湍流预混燃烧模型等值面集合的G函数方法、层流预混火焰生成流型的化学热力学建表FGM方法、G函数/FGM耦合方法三种燃烧模型,对甲烷/空气湍流本生灯火焰进行了大涡模拟计算,并对上述燃烧模型进行了比较。大涡模拟结果表明,G函数方法能够较为准确捕捉火焰的传播特性,FGM方法能够捕捉到火焰和湍流的相互作用,但无法准确预测火焰的传播特性。而耦合的方法既可以捕捉火焰的传播特性,又能够捕捉到火焰和湍流的相互作用。     

湍流射流扩散火焰的层流火焰面模拟

采用双尺度κ-ε湍流模型，标量联合的概率密度函数（PDF）输运方程和层流火争面模型相结合，模拟湍流射流扩散火焰，比较了几种不同κ-ε湍流模型对轴对称湍流射流速度场模拟的结果，建立了混合物分数和湍流频率的联合PDF输运方程，并假定湍流频率和标量 线性关系，得到标量耗散率的概率分布，化学组分的浓度和温度由层流火焰面系综的平均得到，计算结果与直接用化学反应动力学计算的结果及实验数据做了比较。     

甲烷/空气预混火焰回火特性数值模拟

为了获得有效的预测回火极限的数值模拟方法,对甲烷/空气预混火焰进行了数值模拟。采用不同的反应机理和燃烧模型,针对一个二维轴对称的本生灯,分别对甲烷/空气预混层流火焰和湍流火焰进行了数值模拟,预测了甲烷/空气预混火焰的回火特性,并与Johnson的实验结果进行了对比。对层流火焰的模拟结果表明,采用Smooke-46反应机理能够较为准确地预测层流回火极限。而单步化学反应所预测的层流回火极限要比实验值低得多,这说明单步化学反应下的火焰更难以发生回火。对湍流火焰的模拟结果表明,涡耗散概念模型比有限速率模型更准确地预测了湍流回火极限。有限速率模型所预测的回火极限略高于实验值。     

基于LES的非稳态火焰面/反应进度变量方法模拟部分预混抬举火焰

为了描述部分预混燃烧的火焰机制,捕捉燃烧现象中的非稳态效应,采用大涡模拟与非稳态火焰面/反应进度变量方法相结合来模拟湍流部分预混燃烧抬举火焰,并将计算结果与实验测量值进行了对比研究。结果表明基于大涡模拟的非稳态火焰面/反应进度变量方法捕捉到了湍流部分预混燃烧中的火焰抬举现象,计算得到的火焰抬举高度大致为35,和实验测量值完全一致。同时采用各热力学参数在混合分数空间的分布来研究部分预混抬燃烧中具有非稳态燃烧特性的局部熄火现象。各不同截面上的燃烧热力学参数与实验测量值吻合较好,说明采用该方法能比较真实地反映湍流部分预混燃烧的火焰机制。     

采用不同建表方法的火焰面模型在燃烧室中的应用研究

为加深对航空发动机燃烧室中湍流燃烧过程的理解,采用不同建表方法的火焰面模型对航空发动机模型燃烧室内的湍流燃烧过程进行数值模拟,包括层流火焰面数据库的构建和反应进度变量的PDF类型两个方面。其中,层流火焰面数据库的构造方法包括基于扩散火焰的FPV和基于预混火焰的FGM模型,反应进度变量的PDF类型包括δ和β分布。LISA和KHRT模型分别用于模拟液膜和液滴的破碎过程,非平衡Langmuir-Knudsen模型用于模拟液滴的蒸发过程。LISA模型得到的液膜破碎距离约为4.6mm,液滴直径在文氏管出口下游迅速减小到10μm左右,并在头部出口下游附近完全蒸发。通过与相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测量温度的对比,验证了FPV和FGM模型的精度,并表明在流动变化较大的位置FPV模型具有更高的精度,而其他位置FGM模型具有更高的精度,采用β分布作为反应进度变量PDF的模型,可以有效提高温度的预测进度,而且主燃区内的误差基本都在5%以内。此外采用β分布作为反应进度变量PDF的FGM模型,可以更好地描述未燃混合物被回流燃气点火的过程,而且反应进度变量的PDF类型比层流火焰面数据库构建方法的影响更为显著。     

高密度烃层流火焰传播速度试验研究

为了研究液态燃料的预混燃烧特性,利用本生灯方法与数字图像处理技术相结合的方法对高密度烃的层流火焰传播速度和贫油点火、熄火极限进行了试验测量。研究表明:高密度烃的层流火焰传播速度在恰当比为1.1附近取得最大值;贫油燃烧阶段的层流火焰传播速度随当量比的变化幅度比富油燃烧阶段小;当量比相同时,燃油流量的改变对层流火焰传播速度的影响不大;层流火焰传播速度随混合气体温度的增加而增加;随混合气体温度的增加,层流火焰传播速度随当量比的变化幅度增大;燃油流量在小于35ml/h区域内,贫油点火极限、熄火极限的当量比存在一定的波动,且随混合气体温度的增加而减小,但减小幅度不大。     

甲烷-空气预混火焰中化学发光定量化测量放热率的实验研究

为了研究化学发光定量化测量火焰放热率的方法,对当量比0.8～1.2,流速5cm/s～25cm/s的甲烷-空气预混火焰进行了实验研究。使用直径0.025mm高精度铂铑热电偶测量了平面火焰的温度分布,进一步得到了放热率分布,并对火焰结构及燃烧特性进行了分析;利用ICCD相机测量了甲烷-空气预混火焰中OH*和CH*的化学发光分布,并研究了两种激发态粒子的化学发光分布与放热率分布的关系。结果表明,常压下层流预混火焰的火焰厚度仅有0.5mm左右;气流速度的变化不改变火焰结构,而当量比对火焰结构有显著影响;OH*能够比CH*更准确地标识放热率的空间分布;两种激发态粒子的化学发光强度峰值与放热率峰值均呈线性关系,且线性相关性OH*强于CH*;得到了利用化学发光强度定量化测量放热率的方法。     

采用FGM方法模拟钝体稳定火焰中NO_x的生成

为研究燃烧过程中NO预测精度的影响因素,采用火焰面生成流形(FGM)方法对Sydney大学CH_4/H_2钝体稳定火焰HM1中NO生成的预测模型进行研究。分别采用GRI 2.11和GRI 3.0甲烷反应机理构建了绝热和非绝热FGM查询表,辐射模型采用光学薄模型(OTM)。NO的预测是通过独立求解NO质量分数的输运方程实现,其反应速率由FGM查询表查表得到,包括两种处理方式:一种是直接采用FGM查询表中的反应速率;另一种是采用输运方程求解的NO质量分数替换逆反应速率中的NO质量分数。此外还研究了扩展反应进度变量对NO的预测精度的影响。对于流动和主要的热力化学参数,非绝热FGM方法和GRI 3.0可获得更高的精度;求解NO质量分数输运方程可有效提高NO的预测精度,而且第二种NO反应速率的处理方式得到的NO质量分数与试验吻合最好;考虑辐射提高了NO预测精度,并且采用GRI 3.0得到的NO预测结果与试验吻合最好;扩展反应进度变量对由FGM查询表和第一种NO反应速率处理方式得到的NO预测精度在加权因子达到1000时有较大的提升,而对第二种NO反应速率处理方式的结果没有明显的影响。非绝热FGM方法结合第二种NO反应速率处理方式求解NO质量分数的输运方程可以实现高精度的NO预测,此外化学反应机理对NO的预测精度有着非常重要的影响。     

采用基于火焰面的燃烧模型研究部分预混燃烧

考虑到火焰面模型的优点,采用基于RANS的稳态火焰面模型,稳态火焰面/反应进度变量模型和非稳态火焰面/反应进度变量模型对部分预混燃烧室进行了数值计算,并将这三种燃烧模型的计算结果和实验值进行对比研究。发现稳态和非稳态火焰面/反应进度变量模型均成功地预测到了部分预混燃烧中的三岔火焰结构和火焰抬举现象,分析了三岔火焰的形成机理及抬举高度。文中稳态火焰面模型计算部分预混燃烧完全失效,无法捕捉到火焰抬举现象,稳态火焰面/反应进度变量方法计算的火焰抬举高度仅仅为10,基于反应进度变量为水、二氧化碳、一氧化碳和氢气的质量分数之和的非稳态火焰面/反应进度变量方法计算的火焰抬举高度仅为20,和实验值之间的误差为42.8%,而基于反应进度变量为一氧化碳和二氧化碳质量分数之和的非稳态火焰面/反应进度变量方法计算的火焰抬举高度大致32,和实验测量值35非常接近,误差仅为8%。对燃烧热力学标量温度和组分的计算,可以发现非稳态火焰面/反应进度变量方法和实验结果吻合最好,其次是稳态火焰面/反应进度变量模型,最差的是稳态火焰面模型。