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。     

旋流器出口结构对旋流火焰的影响研究

为了更深入地理解非预混旋流火焰，采用大涡模拟（LES）耦合PDF燃烧模型，结合OH-PLIF及PIV同步测量实验，综合研究了两种通道结构对非预混旋流火焰模式的影响。结果表明，欧拉随机场PDF方法可以较精确地预测到旋流流场及精细的火焰结构，包括局部熄火。不同的通道结构将显著影响流场结构，由于湍流/化学反应的相互作用，火焰将会出现局部熄火及火焰抬升现象。由于无通道相比于扩张通道的回流区更小，局部熄火现象也更为严重。同时，在恰当当量比下，无通道结构的OH及CH₂O等中间基在低温区分布更为广泛，表明更多的低温化学反应得以进行，为下游抬升火焰的稳定提供了有利条件。     

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。     

旋流器出口结构对旋流火焰的影响研究

为了更深入地理解非预混旋流火焰,采用大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,结合OH-PLIF及PIV同步测量实验,综合研究了两种通道结构对非预混旋流火焰模式的影响。结果表明,欧拉随机场PDF方法可以较精确地预测到旋流流场及精细的火焰结构,包括局部熄火。不同的通道结构将显著影响流场结构,由于湍流/化学反应的相互作用,火焰将会出现局部熄火及火焰抬升现象。由于无通道相比于扩张通道的回流区更小,局部熄火现象也更为严重。同时,在恰当当量比下,无通道结构的OH及CH2O等中间基在低温区分布更为广泛,表明更多的低温化学反应得以进行,为下游抬升火焰的稳定提供了有利条件。     

超声速反应流火焰面/进度变量模型

基于Pierce低马赫数条件下的火焰面/进度变量模型,考虑可压缩性和激波的影响,发展了用于超声速湍流反应流的火焰面/进度变量模型.该模型通过求解混合分数和进度变量两个标量方程来描述化学反应,且采用火焰面方程解的完整的三个分支:稳态燃烧分支、具有局部熄火状态的非稳态分支和完全熄火分支.利用该模型对德国宇航中心(DLR)的超燃冲压发动机进行模拟,与稳态火焰面模型得到的附着火焰不同,计算结果捕捉到了熄火和火焰抬举现象;且数值阴影和平均温度分布与实验结果吻合较好.      

超声速燃烧数值模拟中的湍流与化学反应相互作用模型

高精度数值模拟有助于理解超声速湍流燃烧中湍流与化学反应的相互作用,可为发动机燃烧室等工程应用设计提供可靠的预测模型。除直接数值模拟外,目前在湍流燃烧应用中使用的大涡模拟和雷诺平均Navier-Stokes模拟均需要借助模型模化发生在湍流小尺度上的流动与化学反应过程对湍流大尺度运动的影响。现有的湍流与化学反应相互作用模型大致可分为:火焰面类模型和概率密度函数类模型,2类模型在不同的应用中各自具有优势和局限性。此外,现有模型大都基于低马赫数燃烧,而超声速燃烧中通常会伴随快速混合、局部熄火和再着火以及激波等复杂过程,这为发展其中的湍流与化学反应相互作用模型提出了更多的挑战。     

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。     

AECSC-J ASMIN湍流燃烧仿真软件研发和检验

航空发动机燃烧室几何结构复杂,湍流和化学反应存在强烈非线性相互作用,需要对流动和燃烧及其相互作用进行高精度高时空分辨率的刻画,目前燃烧室湍流燃烧数值模拟仍然是高难度的瓶颈问题之一。介绍了由北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心、北京应用物理与计算数学研究所和中国工程物理研究院高性能数值模拟软件中心联合研发的AECSC-JASMIN软件主要框架、算法以及针对该软件的算例检验。在Sandia射流火焰、支板火焰和单头部燃烧室检验算例中,对比实验数据,射流和支板火焰预测结果与实验值一致;支板算例的平均相对误差在15%之内;单头部燃烧室模拟结果符合物理实际,总压损失与实验值基本吻合。说明AECSC-JASMIN软件可用于复杂结构高分辨率高精度湍流燃烧数值模拟。     

超声速燃烧数值模拟中复杂化学反应的建模方法

高保真度的数值模拟有助于研究超声速条件下点火、熄火、火焰传播以及稳焰等关键物理-化学过程,推动对冲压发动机中复杂燃烧现象的准确理解与可靠预测。然而,实际发动机中碳氢燃料燃烧导致的广泛时空尺度对湍流燃烧的建模带来了极大的挑战。为此,必须首先解决超声速燃烧数值模拟中复杂化学反应的高保真建模问题。本文对超声速燃烧模拟中湍流-化学反应相互作用模型、机理简化以及求解加速方法的研究现状进行了总结。以典型燃料燃烧建模为主线,介绍了复杂化学反应的高保真建模方法以及不同化学反应机理在超燃模拟中的适用性及其影响。以反应机理三层次保真度评估体系为基础,进一步明确了简化机理在超燃数值模拟中的优势与不足,阐明了动态自适应化学方法在研究超声速条件下细致燃烧过程的必要性和可行性。     

乙醇-空气稀液雾值班火焰的大涡模拟研究

为加深对气液两相湍流燃烧现象的认知,检测火焰面模型在液雾燃烧中的适用性,本文在欧拉-拉格朗日架构下使用火焰面/反应进度变量模型(FPV)数值模拟了乙醇-空气稀液雾值班火焰。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟方法模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑了相间质量、动量、能量交换。燃烧模型中采用碳元素定义混合物分数,在混合物分数方程源项中体现液相对燃烧模型的影响。模拟得到的气相温度分布和液相统计值均和实验数据较好吻合,验证了该燃烧模型对稀液雾扩散类型火焰的适用性。分析瞬时图发现,该稀液雾火焰的最高燃烧温度往往位于当量混合物分数附近,在出口下游20倍直径处火焰完全点着,此处上游FPV模型能给出局部点火熄火现象。蒸发作用在剪切层和点火区域较强,而液滴和火焰作用较弱,单一液滴很少被火焰包围。     

碳氢燃气超声速剪切流动燃烧数值模拟

数值模拟碳氢富燃燃气与空气二维超声速剪切流动的湍流燃烧.NND对流项差分格式高精度捕捉激波, B-L和普朗特混合长度模型模拟湍流粘性系数, Arrhenius反应动力学公式计算化学反应速率, 模拟非平衡态燃烧.计算的壁面压力值较好地符合了实验值.分析了剪切流驻焰稳定的波系结构, 从预测的流动参数和组分浓度分布判断燃烧状况的好坏, 从而为改善优化燃烧室结构提供工程参考.      

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。     

A combined turbulent combustion model in studying a lean flameout process

A modification of the Zimont turbulent combustion model is presented; the modification makes it possible to describe processes in diffusion and homogeneous flame fronts as well as to take into account the influence of different factors that cause flame destabilization. The model is based on the equation for a reaction completeness extent (completeness of combustion). The model realization to simulate the premixed combustion is described and the modification of the turbulent combustion model is applied to simulate a process of flameout downstream of the flameholder.     

Implementation of the conditional moment closure model to a nonpremixed methanol-air flame stabilized on a bluff-body

Ｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｃｈａｌｅｎｇｉｎｇｔａｓｋｓｉｎｔｕｒｂｕｌｅｎｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｓｃａｌａｒｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓｗｉｔｈ...     

气体状态方程对正十二烷射流燃烧的影响

选取正十二烷作为航空煤油的替代燃料,应用大涡数值模拟方法和详细化学反应动力学相结合的方法对该燃料在超临界环境下的射流燃烧进行计算,研究其射流、燃烧及排放特性。重点考察了气体状态方程对射流形态、贯穿距、温度、混合分数等的影响。结果表明:理想气体和真实气体状态方程对仿真得到的射流贯穿距和宏观形态影响不大,而真实气体状态方程可以更好地反映在超临界环境下的液体燃料射流内部特征,如混合分数、温度;燃烧方面,仿真的点火延迟与实验存在10%的误差,火焰浮起长度、火焰形态、碳烟等均得到很好的预测,NOx与OH分布与温度场具有高度一致性。     

固体燃料冲压发动机自持燃烧的影响因素

采用试验和仿真方法,研究了固体燃料冲压发动机(SFRJ)自持燃烧的主要影响因素。研究结果表明:SFRJ内为典型的扩散火焰,化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比值是影响发动机自持燃烧的关键参数,该值越小,扩散火焰越稳定;本文研究工况下,较小的后台阶高度即可保证发动机实现自持燃烧,后台阶稳定火焰的物理原因是在固体燃料表面附近形成一个低速区,保证了固体燃料的分解燃烧,当台阶高度为0时,由于化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比值迅速增加,SFRJ无法自持燃烧;台阶高度较小时,点火过程会对SFRJ的稳定燃烧产生影响,SFRJ可能会出现熄火复燃现象。     

折叠V形火焰稳定器原型的冷态与稳燃特性研究

为了获得折叠V形钝体这一新型火焰稳定器原型的冷、热态特性,采用风洞实验与混合雷诺平均/大涡模拟结合的方法对10组不同折叠角的折叠V形钝体火焰稳定器模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,来流雷诺数10000～80000,热态数值模拟工况为进气温度700K、来流速度50~150m/s,来流雷诺数20000～60000,当量比0.2~1。通过实验测得了不同折叠角折叠V形钝体总压恢复系数,通过数值模拟进一步获得了阻力系数、吹熄性能与燃烧效率,并获得了折叠V形钝体下游火焰时均轮廓。研究表明,折叠V形钝体总压恢复系数与阻力系数优于标准钝体,总压恢复系数随钝体折叠角减小而增大,阻力系数随折叠角减小而减小;折叠V形钝体抗吹熄能力与燃烧效率均优于标准V形钝体;折叠V形钝体的下游火焰扩散特性与标准V形钝体有显著差异。上述特性揭示了折叠V形钝体具备改善加力燃烧室性能的较大潜力,在实际应用中,还需对稳定器的空间排布做进一步研究与优化。     

燃烧室燃烧与排放特性试验与数值计算

为了探寻燃烧室进口空气温度、压力以及油气比对点熄火边界、温升、燃烧效率以及主要排放物摩尔分数的影响规律， 对航空发动机燃烧室在多工况下的点熄火特性、出口温度分布与主要排放物摩尔分数进行了试验测试。分别采用正癸烷的简化 反应机理与C 12 H 23 燃料的单步反应机理，对该燃烧室火焰筒内流场结构、温度场、中间组分与主要排放物摩尔分数分布特性进行了 数值计算，并与相应试验数据进行了对比分析。结果表明：随着燃烧室进口空气温度、压力以及油气比的提高，燃烧室燃烧效率、 温升、出口平均温度与NO X 摩尔分数逐渐提高，而UHC与CO摩尔分数逐渐降低；与采用C 12 H 23 燃料单步反应机理相比，采用正癸 烷的简化反应机理计算得到的火焰筒内流场与温度场分布更为合理，火焰筒出口温度场分布以及主要排放物摩尔分数与相应试 验数据更为接近，计算精度得到较大提高。     

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。     

离心条件下后台阶贫油熄火特性

利用气流通过弯管产生的离心效应来模拟高速旋转的工况,研究高位后台阶火焰稳定器的关键几何参数对液雾燃烧贫油熄火特性的影响.通过控制后台阶高度,台阶板长度,后台阶到上壁面的距离三个几何参数,考察它们对后台阶火焰稳定器贫油熄火特性的影响.试验得到的结果表明在离心条件下,后台阶高度和台阶板长度对贫油熄火特性的影响较大,随着后台...