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。     

采用火焰面/反应进度变量方法模拟湍流燃烧

在自主开发的软件平台上添加了火焰面/反应进度变量方法,选取了两种反应进度变量分别对甲烷/空气的同轴射流燃烧室进行了数值模拟.将计算结果与稳态火焰面模型、文献参考值以及实验值进行了对比研究,结果表明:采用火焰面/反应进度变量方法能捕捉到稳态火焰面模型所不能预测到的火焰抬举等非稳态现象,得到的结果与文献参考值以及实验值出入很小,能准确反应真实的燃烧过程;另外不同反应进度变量的定义对计算结果有较大的影响,采用火焰面/反应进度变量方法对主要中间产物一氧化碳的预测比文献参考值更好,更接近于实验值.      

超声速可压缩火焰面模型的研究进展

火焰面类模型最初是针对低速流动提出的湍流燃烧模型,本文针对其向超声速可压缩流动的推广研究进行了综述。对于火焰面模型,其数据库建立时环境压强为常数以及静焓与混合分数线性关系的假设在超声速流动中均不适用。数值实验发现:一方面,数据库中主要组分浓度对于环境压强的变化并不敏感,但中间产物浓度在不同压强下变化明显;另一方面,静焓与混合分数偏离线性关系这一因素所引起的火焰面模型获得的温度场差别很小。对于火焰面/进度变量模型,其数据库中进度变量的化学反应源项对于压强和静焓-混合分数关系的变化则很敏感,现有考虑这一影响的可压缩修正主要是通过针对利用未经修正的数据库PDF积分后的平均源项进行标度来实现。数值结果表明,可压缩标度方法可有效考虑高马赫数效应对进度变量源项的影响,从而改善火焰面/进度变量模型对超声速燃烧流动的模拟精度。     

基于火焰面/进度变量模型的超声速燃烧IDDES模拟

为了清晰地描述超声速条件下的复杂流动与燃烧过程,建立了基于IDDES模型和火焰面/进度变量模型的湍流燃烧数值模拟方法,并应用于德国宇航中心(DLR)超燃冲压发动机的数值模拟。计算结果与实验数据符合良好,表明该方法可以较为准确地描述超声速湍流燃烧过程,也验证了经过可压缩性修正的火焰面/进度变量模型适用于超声速燃烧问题的求解。同时,利用k-ωSST模型对同一算例进行了计算,发现其对物理量分布的计算精度要低于IDDES模型,说明湍流输运过程的描述对火焰面/进度变量模型的计算精度有重要影响。     

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。     

钝体稳定射流火焰的火焰面模型数值研究

基于稳态火焰面(SLFM)和交互式非稳态欧拉颗粒火焰面(EPFM)模型对Sydney大学CH4/H2钝体稳定湍流扩散火焰行了数值研究,采用修正的雷诺应力模型(RSM),同时对两种不同规模的甲烷详细化学反应动力学机理进行研究,比较了燃烧模型和反应机理对湍流火焰结构、活性自由基以及氮氧化物预测精度的影响,与实验数据对比结果表明:两种反应机理得到的温度场和主要组分分布基本相同;SLFM模型能对速度场和标量场的分布进行较为准确预测,采用EPFM模型修正后,部分区域OH预测结果更加靠近实验结果;采用EPFM模型对SLFM模型耦合GRI-Mech 211的计算结果修正后,NO量级降低近2倍,预测精度明显改善,与实验结果实现较好的符合,验证了化学反应动力学机理以及非稳态效应对氮氧化物预测精度的影响。     

采用详细化学反应机理的火焰面模型模拟煤油两相燃烧流场

基于可实现的 k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型、火焰面模型和航空煤油详细化学反应机理对模型燃烧室内两相燃烧流场进行了数值模拟.其中详细反应机理由替代燃油(80%质量分数的正癸烷,20%质量分数的1,2,4-三甲基苯)的反应机理和NO_x的反应机理组合而成.通过与实验数据的比较,考察采用该详细化学反应机理的火焰面模型模拟RP-3航空煤油燃烧流场的准确性,特别是污染物排放计算的精度.结果表明:稳态火焰面模型模拟的温度场和CO₂生成量与实验数据吻合较好,而预测的NO排放量与实验值偏差较大;非稳态火焰面模型显著提高了NO的预测精度,在工况1(来流马赫数为0.16,进口温度为537K,油气比为0.0048,常压)条件下与实验数据吻合较好,但在工况2 (来流马赫数为0.155,进口温度为523K,油气比为0.010,常压)条件下仍过高估计了NO的排放量.      

基于火焰面模型的推力室起动过程仿真

采用计算流体力学的方法,对氢氧火箭发动机推力室的起动过程进行了数值仿真.起动的非定常过程由双时间步方法模拟,燃烧过程由稳态层流火焰面模型模拟,火焰面建库采用6组分8步反应的化学动力学模型.按照地面试车时序进行推力室起动过程仿真,获得了起动过程的建压曲线以及详细的流场建立过程.结果表明,经过点火瞬间压力松弛控制的稳态层流火焰面模型可用于火箭发动机的点火过程动态仿真,仿真得到的压力曲线与试车曲线相比符合良好.     

加力燃烧室湍流火焰面模型优化方法

加力燃烧室中流速高、压力低、含氧量低，燃油喷射以直射式为主，常用燃烧模型多会高估其反应速率。火焰面类模型采用查表法处理标量场，计算速度较快，但较难调整反应速率。在稳态层流火焰面模型基础上，添加了非定常化学动力学的影响因素来调整反应速率；在试验数据基础上，建立火焰面反应时间尺度，优化火焰面数据库，改善了该类方法在高速、低压、贫氧和雾化差下的数值仿真精度。结果表明：该优化方法形成的火焰面数据库能够较好模拟加力燃烧室中燃油复杂化学反应过程；在本文计算结果验证中，能将温度分布模拟误差控制在15%以内，平均温度模拟误差控制在5%以内。     

基于层流小火焰和beta-PDF的预混燃烧模型

研究了基于层流小火焰概念和假定beta-PDF(probability density function)的湍流预混燃烧模型.该模型采用PREMIX程序来计算层流小火焰,将计算结果表示为进程变量的函数,并利用进程变量的beta-PDF积分生成了用于RANS(雷诺平均Navier-Stokes)计算的PDF表.以化学当量的甲烷湍流本生火焰为算例对模型进行了计算验证,并与Zimont模型的计算结果和实验结果做了对比.结果表明,平均速度分布与实验符合的较好,温度和湍动能计算结果有待改善.本模型高估了化学反应速率,导致计算火焰比实际瘦,这是因为模型中未能考虑湍流对火焰的拉伸和弯曲效应,考虑湍流拉伸和弯曲效应的预混燃烧模型是今后进一步研究的方向.      

值班甲烷/空气射流火焰的小火焰模型模拟

将小火焰模型和假定的PDF方法相结合,模拟甲烷湍流射流扩散火焰,稳态火焰面结构由层流小火焰数据库得到,采用详细化学反应机理描述甲烷的氧化和NO以及碳烟的生成,数值模拟结果和实验数据吻合较好,说明小火焰模型可以较准确地计算出扩散湍流火焰中的燃烧过程。      

预混湍流燃烧的level-set小火焰库方法研究

针对燃气涡轮发动机中贫燃预混预蒸发燃烧室,考虑详细化学反应机理,结合Level-set方法与小火焰模型模拟预混火焰,计算了甲烷/空气贫燃预混燃烧的火焰面的位置,并比较了在贫燃条件下各当量比的NO排放值,计算与实验结果吻合较好。      

Combustion modeling in a model combustor

The flow-field of a propane-air diffusion flame combustor with interior and exterior conjugate heat transfers was numerically studied.Results obtained from four combustion models,combined with the re-normalization group(RNG) k-ε turbulence model,discrete ordinates radiation model and enhanced wall treatment are presented and discussed.The results are compared with a comprehensive database obtained from a series of experimental measurements.The flow patterns and the recirculation zone length in the combustion chamber are accurately predicted,and the mean axial velocities are in fairly good agreement with the experimental data,particularly at downstream sections for all four combustion models.The mean temperature profiles are captured fairly well by the eddy dissipation(EDS),probability density function(PDF),and laminar flamelet combustion models.However,the EDS-finite-rate combustion model fails to provide an acceptable temperature field.In general,the flamelet model illustrates little superiority over the PDF model,and to some extent the PDF model shows better performance than the EDS model.      

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      

超声速燃烧中的特征尺度及影响因素

针对超燃冲压发动机典型的飞行条件,分别以氢气、乙烯和煤油(由质量分数为0.8的正十烷和0.2的三甲基苯化学替代)作为燃料,分析了超声速燃烧中的特征尺度及其影响因素,给出了细致的超燃冲压发动机工作范围,并探讨了火焰面模型在超声速燃烧数值模拟中的适用性.结果表明:从氢气、乙烯到煤油,超燃冲压发动机工作范围依次减少,丹姆克尔数(Da)呈现量级的变化,火焰模式以旋涡小火焰为主,其中Taylor尺度起着关键性作用.同时也发现:相对于亚声速燃烧,在超声速燃烧的数值计算中,对能否采用火焰面模型还需要更加仔细的考虑.      

Numerical simulations of turbulent flows in aeroramp injector/gas-pilot flame scramjet

To uncover the internal flow characteristics in an ethylene-fueled aeroramp injector/gaspilot(ARI/G-P)flame scramjet,a Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)solver is constructed under a hybrid polyhedral cell finite volume frame.The shear stress transport(SST)k-x model is used to predict the turbulence,while the Overmann’s compressibility corrected laminar flamelet model is adopted to simulate the turbulent combustion.Nonreactive computations for Case 1(G-P jet on),Case 2(ARI jets on),and Case 3(both ARI and G-P jets on)were conducted to analyze the mixing mechanism,while reactive Cases 4–7 at equivalent ratios of 0.380,0.278,0.199 and0.167 respectively were calculated to investigate the flame structure and combustion modes.The numerical results are compared well to those of the experiments.It is shown that the G-P jet plays significant role in both the fuel/air mixing and flame holding processes;the combustion for the four reactive cases takes place intensively in the regions downstream of the ARI/G-P unit;Cases 4 and 5are under subsonic combustion mode,whereas Cases 6 and 7 are mode transition critical and supersonic combustion cases,respectively;the mode transition equivalent ratio is approximately 0.20.     

湍流燃烧模型对氢燃料超燃室流场模拟的影响

采用化学平衡的假定概率密度函数(PDF)模型和火焰面模型计算了德国宇航研究中心的超燃室反应流,计算结果与有限速率反应模型的和实验的结果进行了对比.使用有限体积法离散Favre平均的N-S方程,湍流模型采用k-ε模型.研究表明:(1)有限速率反应模型在喷氢孔近场,化学平衡的假定PDF模型在喷氢孔远场不能准确捕捉流场的细致结构,而火焰面模型对全流场预测较好,后两种模型的计算时间较有限速率反应模型节省约38%;(2)超燃室内湍流和燃烧相互作用不可忽略,从预测精度和计算效率来看,火焰面模型有较好的工程应用前景.