旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。     

用双流体—轨道模型模拟四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧

目前炉内两相流动和煤粉燃烧数值模拟中多半用颗粒随机轨道模型和单流体无滑移模型，这些模型都难以完整地给出三维空间内颗粒速度，浓度，湍流度分布的信息。主采用双流体－轨道模型（颗粒相连续介质－轨道模型）对一个四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。此模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量方程和质量变化的方程，并使用k-ε-kp两相湍流模型，EBU－Arrhenius湍流燃烧模型，离散坐标辐射传热模型，煤粉颗粒的水分蒸发，热解挥发模型和焦炭燃烧的扩散－动力模型等。热态模拟中，为了减小为信散造成的影响，采用了扭转坐标法（将坐标扭转一定的角度使之与煤粉射流方程一致）。为了检验数值模拟，采用三维相位移普勒测速仪（PDPA）对于冷态模型炉内湍流两相流场进行了测量，得到了两相速度，湍流脉动及颗粒浓度的分布。分别对冷态模炉内两相流动和热态模型炉内三维两相流动和煤粉进行了模拟，冷态两相流动的计算与实验结果的对比表明预报的两相流场是合理的，热态模拟的结果给两相速度，气相温度、组分浓度及壁面热，显示出靠近出口处气相速度和温度分布不对称，造成一个局部高温区。     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

带收敛出口的单元贫油直喷燃烧室冷态和热态流动特性研究

为了研究贫油直喷燃烧室的流动特性,提出了带有收敛出口的单元贫油直喷燃烧室模型,采用数值模拟方法研究了旋流角度分别为35°,38°,40°和45°共四种模型在冷态和热态条件下的流动特性,获得了旋流角度和燃烧释热对旋流器收敛出口截面速度分布、旋流数和下游中心回流区形态的影响规律。结果表明:在冷态条件下,随着叶片角度的增加,旋流器收敛出口截面的速度分布从"内高外低"型转变为"外高内低"型,并且"外高内低"型的速度分布更有利于形成回流区;除35°旋流角以外,其他模型都能形成驻定的中心回流区。在热态条件下,燃烧释热对弱旋流流动的影响十分明显,35°旋流角收敛出口速度分布由"内高外低"型转变为"外高内低"型,在其下游形成了驻定的中心回流区,说明燃烧释热可以促进旋流流动向涡破碎方向发展;燃烧释热对冷态下已形成回流区的流动影响不大,但气体的膨胀加速会加快燃烧室内部逆压梯度的消失,导致热态回流区尺寸和长度略小于冷态回流区。     

折叠V形钝体火焰稳定器原型的稳燃机制研究

为了掌握折叠V形钝体这一新型火焰稳定器的稳燃机制,采用风洞实验与混合雷诺平均/大涡模拟结合的方法对常压条件下10组不同折叠角的折叠V形钝体火焰稳定器原型进行了冷态实验与热态数值模拟研究。其中冷态实验风速10~50m/s,热态数值模拟工况为进气温度700K、来流速度50~150m/s,当量比0.3~1。通过PIV实验测得了折叠V形钝体回流区冷态流动特征,并结合数值模拟方法研究并讨论了折叠V形钝体绕流尾迹区旋涡特征;通过数值模拟研究了燃烧条件下、折叠V形钝体下游槽向驻涡结构发展变化规律。研究初步探明折叠V形钝体总压恢复系数、阻力系数、抗吹熄能力与燃烧效率优于标准钝体的原因,并发现折叠角角度较小的折叠V形钝体,尾迹中心区域无典型回流区,但仍能通过槽向驻涡结构形成驻涡稳燃速度型,该速度型有利于冷态绕流流速的恢复与热态燃气的加速。     

钝体绕流有旋流中回流区与进动涡核的大涡模拟

针对旋流数为0.57、0.68、0.91和1.59四种工况下的悉尼旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟,选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究不同旋流数下的流场结构、进动频率和进动涡核。模拟结果表明,旋流数为0.68时,钝体回流区长度最短。随着旋流数的增加,中心射流出口的旋流剪切层不断衰减,而下游的旋流剪切层不断增强。功率谱分析表明,进动现象的出现和消失对应于与旋流剪切层的增强和衰减;中心射流与下游区域具有不同的进动频率,表明流场中存在着两个独立的大尺度涡旋结构。不同取值位置的周向速度相关性分析进一步佐证了两个涡旋结构的存在。轴向位置70 mm处的横截面上瞬时流线和压强分布证实了下游流场存在着进动涡核。瞬时压强等值面显示了中心射流出口和下游流场进动涡核的三维螺旋形结构。下游流场的进动涡核均与平均速度场流线在空间上成正交关系,表明进动涡核是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。     

苏通大桥实测强风湍流积分尺度的对比研究

湍流积分尺度是体现风特性的重要指标之一,而现场实测是获得工程结构准确可靠的风特性的唯一有效手段.本文利用苏通大桥结构健康监测系统(SHMS)采集的风特性数据库,选取该桥址区2008年夏季的“凤凰”、“海鸥”台风及冬季北风为样本进行强风特性分析.其中采用4种常用计算方法重点研究了桥址区强风的积分尺度,并对比了不同方法的计算结果以验证其可靠性.最后分析了湍流积分尺度随高度和平均风速等的变化规律.结果表明:湍流积分尺度与风速之间无确定关系,塔顶湍流积分尺度较跨中大.分析结果充实了苏通大桥风特性数据库,可为湍流积分尺度的分析计算提供参考,并为苏通大桥的强风环境和抗风评估提供了实测依据.     

分层旋流燃烧器冷态流场的大涡模拟

针对旋流数为0.25,0.45和0.79三种工况下带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究旋流强度对钝体回流区、涡旋破碎和进动特征的影响.模拟结果与实验结果符合得较好.模拟结果表明:3个旋流数下钝体回流区的大小没有明显改变,轴向长度都约为20mm.Q准则用来显示涡旋结构,结果表明螺旋涡产生于旋流剪切层的Kelvin-Helmholtz不稳定性;增大旋流强度,涡旋破碎发生的位置向上游移动.功率谱密度(PSD)表明流场出现进动特征,进动运动沿流向逐渐衰减;旋流数为0.45和0.79时,钝体回流区末端出现进动特征;3个旋流数下,进动频率都约为78Hz.     

回流燃烧湍流流场激光可视化实验

实验测量了钝体后丙烷/空气湍流扩散燃烧流场及其对应的冷态流场,分析了两种流场的异同点。利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对4种不同工况的冷热态流场进行了测量,得到了燃烧火焰内部的速度场和相应工况下的冷态速度场。结果表明,冷热态流场的速度分布总体相似,但与冷态流场相比,燃烧状态下流场回流区的中心位置升高,长度增加,最大回流速度减小,速度场变得相对紊乱。实验表明,在对湍流扩散燃烧流场作深入研究时,仅利用冷态实验来模拟燃烧状况是不能满足要求的。      

超声速H_2/Air湍流扩散燃烧RANS数值模拟

为了研究修正的火焰面反应进度变量燃烧模型在超声速湍流扩散燃烧问题中的适用性,对德国宇航中心(DLR)超声速燃烧室开展RANS数值模拟。基于Open Foam软件平台中密度求解器分别对三维冷态场和燃烧场进行模拟分析。将网格自适应加密技术用于流场的计算;燃烧场计算中,通过分析不同压力下层流火焰面数据库,引入了反应进度变量源项的压力修正系数,压力修正系数α等于2.2。计算结果表明,冷态场中压力分布、波系分布、速度分布以及燃烧场中波系分布、速度分布、温度分布结果均与实验值符合较好。压力修正方法能够较好地解决超声速湍流扩散燃烧问题。湍流Schmidt数敏感性分析表明,湍流Schmidt数Sct对湍流火焰结构有较大影响,文中Sct等于0.7时能得到与实验值较为一致的分布。     

二次气射流角对涡轮叶问燃烧室的影响研究

为研究二次气射流角对涡轮叶间燃烧室的影响,设计了3种带有不同二次气射流角的涡轮叶间燃烧室模型,利用FLUENT软件的Realizablek-8湍流模型、PDF燃烧模型、D0辐射模型和离散相模型对燃烧室的流动和燃烧进行数值模拟。结果表明：涡轮叶间燃烧室具有高效率（99.2％）的特点,增大二次气射流角可使切向动量分量增加、油滴蒸发变慢、出口温度场分布不均匀、总压损失增加。     

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。     

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D300mm×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。     

基于PIV技术的单圆孔脉冲射流流场特征

对稳态射流及脉冲射流冲击靶板时的流场特性结构进行了探索和分析。采用高频粒子图像测速技术,在射流管口到冲击靶板间距为6倍管径的条件下,对稳态射流进口雷诺数为6 000的稳态射流及脉冲频率为20 Hz的脉冲射流进行了实验测量,得到了射流核心区、壁面射流区及滞止区内的速度分布。研究发现:①由于射流剪切作用的影响,脉冲射流核心区的最大轴向脉动速度为稳态射流的3倍。②滞止区内,由于射流的剪切作用和壁面的滞止作用,导致了脉冲射流轴向速度梯度最大为稳态射流的2倍,同时,滞止区内的最大脉动速度是稳态射流脉动速度的3倍。③脉冲射流对壁面的卷吸以及旋涡的产生和传播过程,破坏了壁面射流区稳定的速度边界层。相比稳态射流,脉冲射流的流场增加了湍流相干结构的含能并产生周期性的大尺度卷吸涡。     

旋流对加力燃烧室性能影响的试验研究

本文探讨不同离心力分布对旋流加力室性能的影响.对模型的流体阻力、温度分布和燃烧效率进行了试验研究.旋流器出口的四种切向速度分布为:Rankine涡、强迫涡、自由涡和常数角涡.试验表明:出口为Rankine涡的旋流器,其流体阻力最小;在由离心力组织燃烧的加力室模型中,即使在小旋流数下(S=0.25)仍可获得大于90%的燃烧效率     

有限旋转气流的切向速度特性分析

已有的试验结果表明：有限旋转气流的切向流速，在旋流器出口头部区域常出现双峰分布，本文分析了出现此现象的两种情况，认为有内外两个旋涡交织在一起所形成的复合涡是切向速度出现双峰分布的根本原因，并根据涡运动基本理论，提出了复合涡的理论模型；对无回流旋转区段，具有中心回流区段，和复合涡回流区段的切向速度分布进行了分析。     

基于PaSR模型的低旋流燃烧大涡模拟

为了深入理解低旋流流场特征和燃烧稳定性,基于OpenFOAM平台,采用动态k方程模型和有限速率PaSR模型对甲烷/空气预混低旋流燃烧进行了大涡模拟,研究了气流入口速度、当量比和压力等流场参数对流场结构和燃烧非稳态特性的影响,分析了流场大尺度结构与火焰相互作用。结果表明,流场结构和火焰抬升高度受入口速度影响较小,流场和火焰形态能够保持自相似性;随着当量比和压力提高,流场扩张性增强并在燃烧区下游产生回流区,火焰稳定不依赖回流区,根部火焰锋面形状由U形转变为W形,火焰抬升高度降低。火焰锋面稳定在剪切层,剪切层产生的周期性有序涡结构引起当地流场速度脉动和火焰表面褶皱,反映了流场非稳态特性;通过剪切层监测点瞬时轴向速度分析,涡结构特征频率随速度增大而提高,由250Hz提高至300Hz,随当量比和压力提高而降低,由250Hz降低至125Hz。     

平面突扩管道中的湍流流动及预混燃烧计算

应用随机涡法(Random Vortex Method)对平面后台阶突扩管道中的湍流流动及预混燃烧过程进行了数值计算。与平均流场所显示的气流结构不同,瞬时流场表现出大尺度的多涡结构。由于这些大尺度旋涡之间的相互作用,回流区长度在平均值附近发生拟周期性变化。预混燃烧计算结果表明,大尺度旋涡对火焰面在流场中的分布有重要影响。