可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响，以及拓宽湍流场的强度和尺度范围，发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场，得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围，并能利用不同几何结构产生多种可控流场，实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构，利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术，开展了湍流燃烧实验，结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L，0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区，火焰面破碎程度明显增强，孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下，积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用，可能存在临界宏观雷诺数Re_c，能够表现流体惯性力占主导地位的程度，决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大，扰动能力强，故积分尺度越大，火焰体积越大；但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈，小尺度叠加在大尺度上的程度增强，最终也使火焰体积显著增大，掩盖了积分尺度对火焰体积的影响，说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

低矮建筑标模风荷载的主动湍流模拟试验研究

采用主动与被动湍流相结合的方法，在阵风风洞中模拟了不同湍流强度和湍流积分尺度的流场，开展了1:50低矮建筑标准模型测压试验研究。针对气流分离再附流动作用下的屋面中轴线区域和锥形涡作用下的屋面角部边缘区域，着重分析了不同来流湍流强度和顺风向湍流积分尺度影响下的风压变化规律。研究结果表明:湍流强度对气流分离作用下的迎风屋面屋檐区域以及锥形涡作用下的屋面角部边缘区域的平均风压系数、脉动风压系数和峰值负压系数均有显著影响；而湍流积分尺度对这些区域的平均风压系数影响甚微，脉动风压系数和峰值负压系数(绝对值)随湍流积分尺度的增大而有所增大。     

旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的 PIV 分析

旋流作用下突扩燃烧室内流场特性的研究对保证燃烧室的正常工作具有重要的意义。利用PIV技术对燃烧室内冷态流场的结构进行了实验诊断与分析,获得了不同实验条件下燃烧室内的速度场、回流区分布和流场内涡的变化规律。研究表明,当入口空气压力变化时,燃烧室内冷态流场可以保持稳定结构,均包含角回流区、中心回流区及剪切层结构。沿燃烧室轴向方向,中心回流区的宽度先增大再减小。随着入口压力的提高,燃烧室内冷态流场的回流区宽度及回流区长度缩短,最大回流速度增大,回流区中心位置向入口移动。同时,在燃烧室冷态流场中会出现由旋流作用引发的涡旋进动现象。     

格栅湍流场风参数沿风洞轴向变化规律

格栅湍流场常用于各类风洞试验中,桥梁断面气动参数均与来流风参数有关。对不同格栅湍流场下的风参数沿风洞轴向变化的规律进行了研究,得出风参数主要与测点与格栅断面间距、格栅板条厚度和单元格栅边长有关。随着间距增加,平均风速短期内急剧衰减,然后趋于稳定。随着间距增加,来流湍流的总能量减小而主要能量迁移至高频区域:湍流度呈指数衰减,湍流积分尺度呈增长趋势;约化风谱形状保持相似,峰值对应约化频率值基本保持不变,但峰值变小。另外根据风参数的变化规律,调试出2类特定的湍流场参数:湍流度相似而湍流积分尺度不同的湍流场和湍流积分尺度相似而湍流度不同的湍流场,以便于详尽研究主要风参数对桥梁断面气动参数的影响。     

不同湍流强度下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学诊断研究

利用Hencken型平面火焰燃烧器搭建携带流反应系统，研究了不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。煤粉被一次风送入温度、氧含量（本文所称"氧含量"是指氧的摩尔分数，mole fraction）可调节的高温烟气中形成稳定的射流火焰，利用OH平面激光诱导荧光技术（OH-Planar Laser-Induced Fluorescence，OH-PLIF）观测煤粉射流火焰着火、群燃等阶段的瞬态结构，基于对火焰图像的处理探究煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。OH-PLIF的测量结果表明，在煤粉射流火焰的上游，射流外围区域的煤粉首先发生脱挥发分并着火，外围已燃的煤粉释放出大量热量并不断向射流内部传递，促进了射流内部区域煤粉颗粒群挥发分的析出。在高速一次风的卷吸及扰动作用下，析出的挥发分与氧之间不断扩散、混合，燃烧的OH锋面逐渐向射流中心区域延伸并连接成片，出现挥发分群燃火焰。实验结果表明:层流状态下，煤粉射流火焰窄而明亮；随着一次风湍流强度的增强，射流中煤粉颗粒的扩散运动变得剧烈，火焰形态发生变化，着火距离显著缩短。本文定量地研究了不同湍流强度下背景烟气温度（1200~1700 K）、烟气氧含量（10%~30%）以及一次风氧含量（5%~45%）对煤粉颗粒群着火延迟的影响规律。随着背景烟气温度、送风氧含量的升高，着火延迟时间逐渐缩短，但存在阈值现象，一旦背景烟气温度或送风氧含量超出某一阈值，其对煤粉颗粒群着火延迟的影响变弱，控制煤粉颗粒群着火行为的主导因素随之发生改变。     

SL-II型乙烯裂解炉炉内流动特性的研究

乙烯裂解炉底部燃烧器的燃气射流,使炉内烟气流动复杂,烟气温度分布的均匀性较差.为了解实际裂解炉膛内较难观察到的气体流动状态并为裂解炉膛内合理的流动组织提供调整依据,以优化炉内燃烧,通过冷态模型研究了裂解炉炉膛内气流速度场.利用PIV技术测量炉内流场速度,得到了不同工况下的流场图和炉内气速分布规律.结果表明炉内流场主要受底部燃烧器的影响,而侧壁燃烧器由于负荷相对较小,对炉内流场影响较小;底部燃烧器的气体射流在炉膛下部管排两侧各形成一个回流区,由于炉膛结构的影响导致了炉膛上部管排两侧的非对称速度分布.     

模型燃烧室湍流亚网格尺度模型

分别采用Smagorinsky-Lilly和k方程亚网格尺度模型,在任意曲线坐标系下对模型燃烧室湍流流场进行大涡模拟.分别用QUICK和二阶隐式差分格式离散控制方程及其时间项,并用SIMPLE算法进行求解.计算结果与PIV测量数据比较表明:大涡模拟方法能较好模拟旋流器后面回流区的瞬态变化,两种亚网格尺度模型都能较好模拟湍流流动,但k方程亚网格尺度模型稍优于Smagorinsky-Lilly亚网格尺度模型,因此采用k方程亚网格模型更适用于大涡模拟实际燃烧室复杂湍流流场.     

圆主-平板角区湍流流动控制的风洞试验研究

角区流动中马蹄涡系的存在通常会造成不良影响.对圆柱-平板角区流动,在圆柱上游放置一倾斜的小圆棒能够改变角区流动结构.利用油流法和平板表面压力测量方法探讨了湍流流态下不同的小圆棒对平板表面的摩擦力线和压力分布的影响.油流实验揭示了倾斜棒能够改变角区的三维分离,新的分离线由倾斜棒和圆柱共同作用引起;倾斜棒对角区的作用可归类为两种不同的物理现象;倾斜棒能够引起圆柱侧面的分离线向下游发生极大的迁移,导致圆柱底部区域尾迹变窄.平板表面压力测量实验揭示附加的倾斜棒能够极大地改变压力分布情况,角区的逆压梯度相应减小;由此,逆压梯度引起的三维分离必然被削弱.     

复杂群山环境下某桥址的风场特性

通过地貌模型风洞试验研究复杂群山情况下某桥址的风场特性,分析平均风速、风攻角、湍流强度、湍流积分尺度等随风向角和测点位置的变化特性,获得了复杂群山环境下典型位置测点脉动风速功率谱的变化情况。研究表明:复杂群山环境下,桥址的平均风速均小于梯度风高度的风速;爬坡效应使得顺山谷方向来流（顺风向,即风从谷口吹入）产生显著的正攻角,最大值为+35.3°;顺风向时,桥址各测点的纵向湍流强度和横向湍流强度达到最小,约为10%,其他风向下的湍流强度较大;顺风向时,桥址的湍流积分尺度较大,且随测点高度上升而增大,桥址各测点功率谱较来流功率谱发生明显变化,功率谱高频段能量显著增大、单峰特征降低。     

超疏水表面对湍流边界层相干结构影响的TRPIV实验研究

湍流边界层中的相干结构是壁面摩擦阻力的主要来源。通过研究超疏水壁面对相干结构的影响，揭示其减阻机理。利用高时间分辨率粒子图像测速技术（TRPIV），分别对流速为0.165m/s的亲水壁面和超疏水壁面平板湍流边界层进行测量，得到了2种壁面瞬时速度矢量场的大样本时间序列。通过对比分析2种壁面的平均速度剖面和湍流度，得到了5.39%的减阻效果。通过二维空间两点相关函数的方法定义并提取相干结构，对比得到超疏水壁面能够有效减小相干结构流向尺度的结论。进一步采用λ_ci准则对发卡涡头进行识别，并以此为条件事件对其周围的脉动速度分布情况进行线性随机估计。结果表明:超疏水壁面能够有效削弱单个发卡涡头的强度，并且能够影响其周围发卡涡包结构的组织形式，整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。     

结合火焰辐射与互相关法的燃烧颗粒速度测量方法研究

针对高温燃烧颗粒运动速度在线测量难题,提出了结合火焰辐射与互相关法的燃烧颗粒速度测量方法,并设计了相应的测量装置对平面火焰炉实验系统中燃烧煤粉颗粒速度进行了测量,布置了上下游2个相距6 mm的火焰辐射光强测点,通过对该2测点辐射光强进行互相关分析计算得到燃烧颗粒运动速度,实验获得了变工况下燃烧颗粒运动速度的变化情况,同时将其与数值模拟结果对比,相对偏差不超过10%,验证了该方法可为诸如锅炉煤粉燃烧、固体火箭发动机推进剂燃烧等恶劣环境下燃烧颗粒速度测量提供一种简单、有效的测量方法。     

煤粉锅炉旋流燃烧器的气动热力性能数值分析

采用数值分析法对旋流燃烧器气动热力性能进行预估，利用代数应用力模型描述紊流特性，紊流燃烧模型为k-ε-g模型，固体壁面采用参数投影法，热辐射对燃烧室内传热过程影响是用修正热通量模型来考虑。     

气动雾化喷嘴强化湍流扩散的实验研究

用热线风速仪对气动雾化喷嘴出口的气相湍流速度场进行测量，得到了气流的脉动速度及旋涡尺度分布。用浓度测量仪测量了喷嘴出口液相浓度的分布。研究表明，湍流脉动对细小雾滴的扩散具有促进作用，而气流的大尺度旋涡对液滴扩散的作用更加明显。内气路采用径向射流型式，可以增大气流的旋涡尺度，加强对液滴的扰动，因此对喷雾浓度的均匀分布大有益处。     

并列双圆柱尾流切向喷射控制研究

采用PIV实验研究雷诺数为4000、中心距比为1.1的绕并列双圆柱流动施加切向喷射的尾涡控制特性。发现尾涡流场呈现双稳态偏流流型，偏向间隙流的存在将导致圆柱附近时均尾流场沿圆柱中心轴线不对称。分析圆柱尾流涡旋的分布情况和升力频谱，发现可以根据喷射角度θ及射流动量系数C_μ的大小将切向喷射尾流的控制效果分为无效区（θ≤20°或C_μ < 0.135）、非完全控制区（θ > 20°且C_μ > 0.135）和完全控制区（θ > 35°且C_μ > 0.304）。在非完全控制区，切向喷射诱导的射流势流区将并列双圆柱宽尾流抑制为窄尾流，涡系分布范围控制收缩在近尾流的一个三角形区域内。随着喷射角的增大或是射流动量系数的增大，圆柱所受升力的频谱峰值逐渐降低。在完全控制区，并列双圆柱尾流完全被消除，从时均场上看已无明显的涡旋存在，此时控制效果最优。     

涡旋式等离子体反应器流场的试验研究

本文给出了用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）测量涡旋式电弧等离子体化学反应器流场的实验研究结果。实验表明：这类等离子体反应器中，旋流切向速度分量和轴向速度分量径向分布划分成近轴、过渡和近壁区。喷入电弧等离子体射流对等离子体反应器流场的影响区域是近轴区，对过渡区和近壁区没有影响。提高旋流强度，轴向截面上旋流的两个速度分量径向分布分别呈相似的分布形式，等离子体反应器呈层流流动状态。     

CH4/Air反扩散射流火焰多组分同步PLIF诊断

多组分同步平面激光诱导荧光技术在研究火焰结构和燃烧反应中间产物二维分布等方面有着重要作用。为了研究CH₄-Air反扩散射流火焰，搭建了OH/CH₂O/丙酮（Acetone）多组分同步平面激光诱导荧光实验系统。系统由2套激光器、2部ICCD相机、1组时序控制器以及光学系统构成。通过对不同组分物质分子有效激发策略、时序控制方法以及双ICCD成像技术进行了分析，最终实现了对火焰反应区、预热区以及燃料分布区域等火焰结构信息瞬态测量及可视化。基于该实验系统，对反扩散射流火焰进行了实验研究。研究结果表明，反扩散射流火焰形式既不同于传统的预混火焰，也不同于常规的扩散火焰，更多表现为部分预混的扩散火焰；较之OH*化学发光成像，多组分平面激光诱导荧光结构更能准确认识火焰的基本形态和燃烧模式，在基础燃烧和工业研究中都具有重要的应用价值。     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪(LDV)对直径D 300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布.测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0.5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z>10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显.