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。     

反应机理对湍流预混值班火焰稳燃影响的研究

针对反应机理对湍流预混值班火焰稳燃的影响,使用大涡模拟(LES)耦合输运概率密度(PDF)方法模拟了湍流射流火焰的燃烧流场。化学反应过程采用被广泛应用的SMOOKE (16组分,46步)和DRM22 (22组分,104步)机理,概率密度输运的确定采用欧拉随机场来实现。计算结果表明,LES/PDF模型可以准确地模拟该类火焰的速度分布,火焰褶皱等结构。反应机理的点火延迟时间的准确与否是模拟值班射流火焰的关键,预混射流出口处的小尺度掺混引起的点火和火焰传播过程是值班射流火焰稳燃的关键。     

低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。     

湍流燃烧的动态自适应直接数值模拟

为了能以较低的计算成本分辨多尺度的湍流燃烧过程,发展了基于动态自适应网格技术的湍流燃烧直接数值模拟方法。在氢气/空气层流预混火焰传播的模拟中,准确计算出了火焰传播速度,表明该方法具有直接求解火焰以及精确捕捉火焰传播过程的能力。在衰减的各向同性均匀湍流的模拟中,借助FFT分析获得了合理的湍动能谱线随湍动能衰减的变化规律,表明该方法能够直接求解湍流。由于在实际应用中,点火发生的位置与低温机理的速率相关,因此在氢气/空气湍流预混火焰中研究了湍流对低温机理的影响,发现湍流输运以及湍流涡团间强烈的拉伸和剪切对低温机理有明显的加速作用,能显著增强放热。     

甲烷/空气射流抬举火焰的大涡模拟计算

为了研究中高温伴流中的自动着火特性,采用大涡模拟(LES)和均匀搅拌器(PSR)结合假定概率密度函数的建表湍流燃烧模型对甲烷/空气射流在高温伴流中的抬举火焰数值研究,并比较反应进度的不同概率密度分布对结果的影响。结果表明,计算结果与实验值符合得较好。PSR建表方法能够捕捉到高温伴流抬举火焰的点火过程,能够正确预测火焰的抬举高度,但在火焰稳定燃烧区域该建库燃烧模型还存在不足。同时,反应进度的亚格子脉动对准确模拟抬举高度十分重要。     

多维火焰面求解燃烧场中的多机制火焰结构

火焰面模型已被广泛应用于层流和湍流火焰的模拟中,然而对包含多种火焰机制的复杂燃烧场,针对单一火焰机制的一维层流火焰面模型不能准确地还原其内部的火焰结构特征。为了解决以上问题,基于由Nguyen等提出的多维火焰面生成流形方法(MFM),发展了一种新的交互迭代式Z-C多维火焰面模型。通过层流抬举火焰的模拟,以直接求解详细化学反应的DNS解为参照解,以确定新模型的模化精度,并与一维预混火焰面生成流形方法(premixed FGM)进行了对比。通过对不同模型解的分析可以得出,相比于只能捕捉一种火焰特征的一维火焰面模型,多维火焰面模型可以同时捕捉多机制火焰结构中的扩散和预混特征。使用新的多维火焰面模型求解可以在计算量减小一个数量级的前提下,得到接近DNS参照解的模型精度。     

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。     

输运概率密度函数中的小尺度标量混合建模

输运概率密度函数方法能精确地求解湍流燃烧中的有限化学反应速率,但小尺度上分子扩散引起的组分变化则需要通过标量小尺度混合模型来模拟。论文综述了当前湍流预混燃烧中混合模型研究的最新进展。首先介绍了现有标量混合模型在不同预混燃烧模式下的表现:对于火焰面燃烧模式,保持组分空间的临近性对于标量混合模型非常重要,标量混合频率受火焰结构影响显著;对于破碎反应区模式,组分空间保持临近性的重要性有所减弱,标量混合频率由湍流主导。接着介绍了最新基于直接数值模拟数据的标量小尺度混合机制和建模研究,包括湍流预混燃烧中反应标量小尺度耗散机制、反应标量混合时间尺度在不同燃烧模式下的演化规律、依据线性混合思路构建的标量混合时间尺度模型。针对不同湍流预混燃烧模式的模型验证表明:相比于已有湍流混合时间尺度模型,新模型显著提升了对湍流预混火焰中的标量耗散率和燃烧特性的预测精度。最后介绍了大涡模拟/输运概率密度函数方法在近极限湍流预混火焰,如甲烷预混值班火焰和湍流对冲预混火焰中的应用,验证了其对贫燃、高湍流度条件下的湍流-化学反应相互作用及局部熄火/再燃现象的预测能力。     

湍流扩散火焰局部熄火现象的大涡模拟研究

为了研究湍流扩散火焰的燃烧特性和局部熄火现象的机理,使用火焰面/反应进度模型对Sandia湍流值班射流火焰E进行大涡模拟。火焰面/反应进度模型适用于非预混燃烧,基于守恒标量和反应标量构建火焰面数据库,将详细的化学反应过程映射到这两个特征标量的平面上。数值模拟结果与实验数据符合得较好,火焰面/反应进度模型能较好地模拟湍流扩散火焰和预测火焰的不稳定性。研究发现,火焰在轴向距离与中心射流直径比值为7.5至15的截面处局部熄火概率较大,这与该位置标量耗散率偏大有关;火焰在轴向距离与中心射流直径比值为30以后的流场重新点燃,原因是混合物分数和当量比变小,火焰更多处于贫燃状态。     

基于火焰面密度的湍流分层燃烧大涡模拟

为了研究分层燃烧火焰结构、发展适用于分层条件的亚格子燃烧模型,采用火焰面密度模型描述燃烧过程,通过化学热力学建表方法确定主要标量信息,对剑桥分层旋流燃烧器Sw B5工况进行大涡模拟研究。模拟结果表明,该亚格子燃烧模型可以很好地满足流场上游的计算,但是在下游存在偏差,这可能与所采用的皱褶因子模型低估了湍流对火焰的形变作用有关。由于燃烧放热引起的再层流化现象明显,钝体后回流区近似稳态。瞬时Q函数云图表明,流动在管口附近发生Kelvin-Helmholtz不稳定性并形成环状涡结构。瞬时、统计火焰因子云图表明Sw B5的燃烧机制主要由预混燃烧主导。     

模型燃烧室紊流燃烧的大涡模拟

采用了两种不同的亚网格尺度燃烧模型对带 V型稳定器的模型燃烧室紊流化学反应流动进行了大涡模拟 ,用 k-ε方程亚网格尺度模型确定亚网格紊流粘性 ,为了考虑热辐射对燃烧室壁温和气流温度的影响 ,运用热流法辐射模型估算热辐射通量 ,用 SIMPLE算法和混合差分求解大涡模拟各守恒方程 ,通过对两种不同亚网格尺度燃烧模型数值模拟结果与实验值的比较表明 ,两种燃烧模型都与实验值较吻合 ,但 G方程小火焰模型要比亚网格 EBU燃烧模型符合得更好些      

LES of the Sandia flame series D-F using the Eulerian stochastic field method coupled with tabulated chemistry

In this paper, the Eulerian Stochastic Field (ESF) model in the Transported Probability Density Function (TPDF) class model is combined with the Flamelet Generated Manifolds (FGM) model. This method solves the joint probability density function transport equation by ESF method that considers the interaction mechanism between flame and turbulence with high precision. At the same time, by making use of the advantage of the FGM model, this model is able to incorporate the detailed chemical reaction mechanism (GRI 3.0) with acceptable computational cost. The new model has been implemented in the open source CFD suite-OpenFOAM. Validation of the model has been carried out by simulating the Sandia flame series (three turbulent piloted methane jet flames) issued by the National Laboratory of the United States. The accuracy and advancement of the ESF/FGM turbulent combustion model are verified by comparing the LES results of the new model with the rich experimental data as well as the RANS results. The results demonstrate that the model has a strong ability in capturing combustion phenomena such as extinction and re-ignition in turbulent flame, which is essential in the accurate prediction of the combustion process in real combustion devices, for example, aircraft engines.     

基于火焰面波动机理的热释放模型理论推导及其模态分析

针对一个中心体稳定的燃烧室通过G方程的方法推导建立了火焰面波动与声波速度波动之间的耦合关系,并进而得到了燃烧热释放模型的数学函数.推导过程中考虑了燃烧膨胀效应对火焰面运动的影响,弥补了前人研究中忽略了燃烧膨胀效应的不足.该函数表明在几何结构和燃料成分等参数保持不变的情况下,湍流燃烧速度是影响热声振荡的关键参数,能够同时强烈的影响燃烧热释放模型的振幅和相位,当量比和入口空气温度等参数是通过改变湍流燃烧速度最终影响了热声振荡现象;而只有当燃烧火焰传播速度相对较大时,密度膨胀比才会对热释放幅值产生影响,并且会对热释放的相位产生影响,从而指出了各参数影响热声振荡的具体途径和相对大小.通过将推导的燃烧热释放波动模型与模态分析方法相结合,系统连续地分析了压力振幅增长率、固有频率和声压模态等重要的热声振荡特性参数随着当量比和入口空气温度的变化关系,从而得到了热声振荡稳定区间和非稳定的区间的云图.对理解和控制热声振荡现象具有重要的实际指导意义.      

天然气预混湍流燃烧特性的实验

为了获得天然气的预混湍流燃烧特性,在湍流燃烧弹中对天然气在当量比范围为0.7～1.4、初始压力范围为0.1～0.3 MPa、初始温度范围为300～400 K、湍流强度范围为1.0～2.7 m/s条件下的预混湍流燃烧火焰发展特性进行了试验测试,并分析了当量比、湍流强度、初始温度、初始压力对天然气湍流火焰传播速度、火焰褶皱比以及湍流燃烧速度的影响。结果表明：湍流火焰传播速度随着当量比的升高先增加再降低,在当量比为1.1时达到最大,并且随湍流强度与初始温度的升高而升高,但随初始压力的升高变化不明显。火焰褶皱程度随湍流强度与初始压力的升高或当量比与初始温度的降低而逐渐增强。湍流燃烧速度随当量比的升高先升高后下降,在当量比为1.1时达到最大,并且随湍流强度、初始温度与初始压力的升高而逐渐升高。     

同轴突扩燃烧室低频不稳定燃烧数值模拟

采用大涡模拟耦合预混燃烧方法,建立了液体冲压发动机不稳定燃烧计算模型。对模型发动机进行了不稳定燃烧数值研究,计算得到的发动机内压强振荡和火焰传播过程与文献中的实验数据吻合较好。结果分析表明,突扩构形发动机内大尺度的旋涡结构支配了燃烧室中的火焰传播过程,旋涡运动耦合非稳态的燃烧热释放是激发燃烧室低频压强振荡的重要原因。     

Large eddy simulation of turbulent diffusion flame combustion using a conserved scalar methodology

The present paper describes an LES prediction of turbulent diffusion flame combustion in a simplified axi-symmetric combustor geometry.The calculations are carried out using a well-tested finite volume incompressible LES code which has been modified to handle variable density and reacting flows.The basic mixture fraction conserved scalar method is used with the chemical state relationships described by fast chemistry.The turbulence-chemistry interaction is modelled by a sub-grid PDF method and the PDF is assumed to follow a Beta-function shape.The LES predictions have been time-averaged over 3.5 flow-through times to generate the mean radial profiles of mixture fraction,product mass fraction,temperature,axial velocity and axial rms.The agreement of the LES predictions with the experimental data is good for all the above quantities at four different axial positions with largest differences at the first measurement plane.The LES method also provides information on the unsteady nature of turbulent diffusion combustion. For turbulent reacting flows with large density ratio,it was found necessary to use a relaxation method in order to remove unphysical high-frequency fluctuations and to maintain numerical stability.      

大涡模拟模型环形燃烧室污染特性

在任意曲线坐标系下,采用大涡模拟模型环形燃烧室两相燃烧流场中污染物的生成.用亚网格涡破碎(EBU)燃烧模型估算化学反应速率;分别用NO亚网格动力学模型与CO亚网格模型来模拟NO和CO的生成;采用随机离散模型模拟气液两相湍流流动,两相之间耦合采用PSIC算法.计算结果与瞬态速度场、出口温度和污染物质量分数分布的实验数据比较吻合,表明大涡模拟方法和亚网格模型可以用来预估实际燃烧室两相喷雾燃烧流场和污染物生成过程.      

模型加力室大涡模拟的并行计算

采用基于MPI(消息传递库)的并行算法,在贴体网格下对带V形槽稳定器模型加力燃烧室紊流化学反应流场进行数值模拟,湍流模型采用k方程亚网格尺度模型,燃烧模型采用亚网格EBU模型,采用热通量辐射模型估算辐射通量。在程序设计中,采用动态内存分配、分区算法和多点重合交错网格系统,并行计算的结果与单机运行结果的对比表明计算结果是正确的,可以明显的提高运算效率,是解决复杂燃烧流动大规模数值模拟的有效手段。      

预混燃烧大涡模拟和燃烧模型的检验

用代数二阶矩亚网格(ASOM-SGS)燃烧模型对文献中测量的钝体后方丙烷-空气预混燃烧进行了大涡模拟,模拟统计的时平均速度、速度脉动均方根值和温度分布与实验数据结果吻合很好,表明所采用的ASOM-SGS亚网格燃烧模型是合理的。模拟的瞬态结果显现了钝体后方湍流流动和火焰结构。将大涡模拟数据统计得到的反应率系数-浓度关联量的分布规律,与代数二阶矩RANS(ASOM-RANS)燃烧模型的模拟值进行对比,结果发现,大涡模拟统计值和ASOM-RANS模型的模拟值很接近,从而证明了湍流燃烧代数二阶矩RANS模型的合理性。