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层流小火焰模型在柴油机湍流燃烧中的应用

层流小火焰模型在柴油机湍流燃烧中的应用

作者：杜德芳大连理工大学

学位级别：硕士

柴油机中的燃烧过程是典型的湍流扩散燃烧,湍流扩散燃烧是一种极其复杂的带有化学反应的流动现象。要对其工作过程进行模拟,目前使用最多的办法就是将湍流与化学反应解耦,分别进行求解,然后再将两部分结果耦合到一起。由于柴油机中在高... 详细信息

柴油机中的燃烧过程是典型的湍流扩散燃烧,湍流扩散燃烧是一种极其复杂的带有化学反应的流动现象。要对其工作过程进行模拟,目前使用最多的办法就是将湍流与化学反应解耦,分别进行求解,然后再将两部分结果耦合到一起。由于柴油机中在高雷诺数和高Damkoeler数的情况下,燃烧反应区厚度小于湍流耗散尺度,火焰极薄,其微元保持层流结构,因此,湍流火焰可视为嵌入湍流流场内局部具有一维结构的薄的层流小火焰的系综,这便构成了层流小火焰模型主导思想,同时也使层流小火焰模型模拟柴油机湍流燃烧过程成为可能。层流小火焰模型在近年来得到了广泛的应用,但是,在内燃机上的应用却不多,国内关于此方面的研究基本上仍是空白。本文作为初步尝试,将层流小火焰模型应用于典型的柴油机扩散燃烧过程,以一台直喷式柴油机为对象,分别以碳十二烷与空气的单步反应和正庚烷与空气的多步反应为机理,以混和分数为自变量,以标量耗散率为参数,建立相空间中组分质量分数瞬时值及温度瞬时值的二维层流小火焰数据库。以KIVA-3程序为基础,摒弃其原有的化学反应模型,模拟内燃机缸内多维湍流流场,并补充求解混合分数的时均值及其脉动均方值的湍流输运方程,得出各曲轴转角下混合分数的时均值及其脉动均方值的缸内空间分布。将两部分结果通过Beta概率密度函数进行耦合积分,得到组分质量分数和温度等参数时均值在柴油机工作过程中的时间、空间分布。将对这台直喷式柴油机所得到的计算结果与文献中相同类型发动机的实验及计算结果进行比较,其缸内平均温度曲线和放热率曲线在总体趋势上比较一致,表明小火焰模型应用于柴油机湍流燃烧模拟的可行性及其在预测燃烧过程细节方面所具优势。但对瞬态过程而言,为达到满意的预测精度,小火焰模型还有改进的必要和潜力。

关键词：柴油机层流小火焰模型标量耗散率概率密度函数数值模拟

基于Damk(?)hler数的层流扩散火掐抑制评价数值模似

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基于Damk(?)hler数的层流扩散火掐抑制评价数值模似

作者：冉难中国科学技术大学

学位级别：硕士

现实火灾场景中会涉及多种燃料的混合燃烧,燃料种类的多样化导致了燃烧过程的复杂化,燃烧过程中包含了热力学、化学动力学、流体力学和输运现象。燃烧问题是多尺度的,在预混燃烧中不同反应的化学时间尺度存在十分巨大的差异;而在扩散燃... 详细信息

现实火灾场景中会涉及多种燃料的混合燃烧,燃料种类的多样化导致了燃烧过程的复杂化,燃烧过程中包含了热力学、化学动力学、流体力学和输运现象。燃烧问题是多尺度的,在预混燃烧中不同反应的化学时间尺度存在十分巨大的差异;而在扩散燃烧中同时存在着化学反应时间尺度和混合时间尺度,化学作用和扩散作用相互耦合。数值模拟方法在研究实验中难以测量的燃烧中的微观变化有着独特的优势。因此,使用计算机数值模拟方法研究混合燃料的预混火焰结构和扩散火焰中化学与混合的耦合作用,对于全面了解燃烧进程有着十分重要的意义。本文采用化学动力学数值模拟,对混合燃料的预混火焰结构及燃烧特性进行研究,分析混合比率对点火延迟时间、火焰厚度、层流燃烧速度、化学反应滞留时间及组分分布情况的影响。以乙醇/氢气/空气混合气体为研究对象进行数值模拟,研究发现一定程度上氢气含量的增加能够缩短混合气体的点火延迟时间,并且氢气对点火延迟时间的影响随着温度的升高而逐渐减小。随着混合比率的增大,层流燃烧速度增大,并且在混合比率大于0.4时显著增大。火焰厚度及化学反应滞留时间随氢气增加而逐渐减小,氢气含量增加能够明显改善燃料在贫燃情况下的燃烧特性。此外,进一步分析组分分布情况得知氢气添加使火焰中H、O、OH自由基浓度峰值增大,并且H+O+OH浓度峰值与层流燃烧速度存在线性关系。为研究扩散火焰中化学与混合的耦合作用,本文提出基于Damk(?)hler数的灭火添加剂火焰抑制效果评价的思路,选择详细机理较简单的氢气进行二维轴对称同向流扩散火焰的模拟,旨在通过分析Damk(?)hler数的变化研究灭火添加剂的扩散作用及化学作用对火焰抑制效果的影响。通过对未添加及添加1%的Br2对氢气预混火焰和同向流扩散火焰的影响进行数值模拟,研究灭火添加剂对温度及主要自由基的影响,并在扩散火焰中通过层流火焰理论计算两种火焰的化学特征时间及混合特征时间得到Damk(?)hler数,提出基于灭火添加剂的标量耗散率,研究灭火添加剂的扩散作用及化学作用对氢气同向流扩散火焰的影响。研究发现灭火添加剂的火焰抑制循环使火焰中化学作用增强。添加灭火添加剂后在径向大部分区域火焰的Damk(?)hler数均低于未添加情况下,灭火添加剂减少火焰燃烧区域,并使燃烧区域的反应剧烈程度下降。从火焰根部到火焰顶端,抑制作用逐渐减弱。

关键词：数值模拟预混火焰点火延迟时间层流燃烧速度扩散火焰火焰抑制 Damk(?)hler数标量耗散率

层流小火焰模型在湍流扩散火焰数值模拟中的应用

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层流小火焰模型在湍流扩散火焰数值模拟中的应用

作者：解天放厦门大学

学位级别：硕士

本文首先对氢气—空气的层流对冲扩散火焰进行了详细的数值模拟,研究了拉伸率对火焰温度和火焰宽度的影响,结果表明拉伸率的增加会使得火焰的最高温度下降,火焰的宽度变窄。采用Chemkin软件包、FlameMaster软件包和修改后的Chemkin源代... 详细信息

本文首先对氢气—空气的层流对冲扩散火焰进行了详细的数值模拟,研究了拉伸率对火焰温度和火焰宽度的影响,结果表明拉伸率的增加会使得火焰的最高温度下降,火焰的宽度变窄。采用Chemkin软件包、FlameMaster软件包和修改后的Chemkin源代码,以混合分数为自变量,以标量耗散率为参数,建立了各组分质量分数值以及温度值的二维层流小火焰数据库分表。再将结果通过β概率密度函数进行耦合积分,得到了层流小火焰数据库总表。最后,将层流小火焰模型应用于湍流扩散火焰的数值模拟,对氢气—空气的非预混湍流燃烧进行了初步的研究。主要探究了路易斯数、混合分数和标量耗散率的选择对湍流扩散火焰计算值的影响。将得到的计算结果与文献中的实验结果进行比较,结果表明,路易斯数为1的假设可以更好地描述湍流燃烧过程,标量耗散率的选择对湍流扩散火焰的计算不会造成太大影响,小火焰模型应用于湍流燃烧模拟具有一定的可行性和优势。

关键词：湍流扩散火焰层流小火焰模型概率密度函数标量耗散率混合分数

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层流非预混燃烧的火焰面模型理论及数值研究

战术导弹技术 2012年第3期 17-24,35页

作者：何博聂万胜苏凌宇解放军装备学院研究生一队北京101416 解放军装备学院航天装备系北京101416

火焰面方法是求解非预混燃烧最有效的手段之一,但常规火焰面方程包含组分扩散系数相等及刘易斯数恒等于1的基本假设,所生成的火焰面库不适于层流非预混燃烧流场计算。针对单步全局化学反应及原子守恒两种混合分数定义存在的不足,采用守... 详细信息

火焰面方法是求解非预混燃烧最有效的手段之一,但常规火焰面方程包含组分扩散系数相等及刘易斯数恒等于1的基本假设,所生成的火焰面库不适于层流非预混燃烧流场计算。针对单步全局化学反应及原子守恒两种混合分数定义存在的不足,采用守恒传输方程对混合分数重新进行了定义。然后根据物理平面层流对撞射流火焰控制方程及新混合分数定义,详细推导得出了考虑组分扩散系数及刘易斯数影响的相容火焰面方程。最后修正了TWOPNT软件包计算相容火焰面方程时影响计算稳定性及计算效率的三点不足,并通过仿真计算证实了相容火焰面方程的合理性,比较分析了火焰面方程的标量耗散率模型对火焰面库的影响。结果表明:相容火焰面方程与物理平面控制方程在新混合分数定义下生成的火焰面库比较吻合,而常规火焰面方程在火焰峰附近的温度分布,以及与单位刘易斯数差别较大的组分分布存在较大误差;当氧化剂密度与燃气密度比值及当量耗散率较小时,考虑密度变化的标量耗散率模型几乎不会对仿真结果产生影响。

关键词：层流非预混燃烧混合分数火焰面方程标量耗散率

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层流小火焰模型在柴油机湍流燃烧中的应用

热科学与技术 2005年第4期4卷 340-345页

作者：杜德芳解茂昭大连理工大学动力工程系辽宁大连116024

将湍流燃烧的层流小火焰模型应用于典型的柴油机扩散燃烧过程。以混合分数为自变量,以标量耗散率为参数,建立相空间中的层流小火焰数据库。应用K IVA-3程序模拟内燃机缸内多维湍流流场,并补充求解混合分数的时均值和脉动均方值的湍流输... 详细信息

将湍流燃烧的层流小火焰模型应用于典型的柴油机扩散燃烧过程。以混合分数为自变量,以标量耗散率为参数,建立相空间中的层流小火焰数据库。应用K IVA-3程序模拟内燃机缸内多维湍流流场,并补充求解混合分数的时均值和脉动均方值的湍流输运方程。将两部分结果通过B eta概率密度函数进行耦合积分,便可得到组分质量分数和温度等参数在柴油机工作过程中的时间、空间分布。对一台直喷式柴油机的湍流燃烧过程进行了模拟计算,所得结果符合实际。

关键词：柴油机层流小火焰模型标量耗散率概率密度函数数值模拟

甲烷/空气扩散火焰面位置确定的数值模拟研究

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山西能源与节能 2006年第2期 26-27页

作者：王姣武文斐内蒙古科技大学能源与环境学院内蒙古包头014010

以甲烷/空气的湍流射流扩散燃烧为基础,利用k-#双方程模型和混合分数方程模型的耦合,依据湍流扩散燃烧中整个区域的混合分数场,给出火焰面形状、尺度随过量空气系数的变化规律。模拟结果表明混合分数方程确定火焰面的位置是行之有效的... 详细信息

以甲烷/空气的湍流射流扩散燃烧为基础,利用k-#双方程模型和混合分数方程模型的耦合,依据湍流扩散燃烧中整个区域的混合分数场,给出火焰面形状、尺度随过量空气系数的变化规律。模拟结果表明混合分数方程确定火焰面的位置是行之有效的方法。

关键词：混合分数标量耗散率湍流燃烧推散火焰

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多次激波诱导三维正弦反应性界面的数值研究

多次激波诱导三维正弦反应性界面的数值研究

甲烷/空气扩散火焰面位置确定的数值模拟研究

中国力学大会-2017暨庆祝中国力学学会成立60周年大会

作者：陈霄董刚南京理工大学瞬态物理重点实验室

激波与反应性界面相互作用在自然界与工程实际中普遍存在。已有的对该现象数值研究由于受计算条件的限制,主要采用二维的数值模拟开展研究,对界面的刻画不够准确,测量的参数也与实际有所差距。为更加精确捕捉激波与反应性界面的相互作... 详细信息

激波与反应性界面相互作用在自然界与工程实际中普遍存在。已有的对该现象数值研究由于受计算条件的限制,主要采用二维的数值模拟开展研究,对界面的刻画不够准确,测量的参数也与实际有所差距。为更加精确捕捉激波与反应性界面的相互作用过程,本文采用了9阶WENO的高精度数值格式和单步化学反应,对激波及其反射激波与预混火焰界面的相互作用过程进行了三维数值模拟。考察了三种不同Ma数下的初始入射激波与预混火焰界面的相互作用过程并且给出混合区平均涡量随时间变化的规律。提出了无量纲时间的概念,将激波与火焰界面作用过程标准化。本文采用傅里叶变换,对激波诱导的火焰界面的混合区进行了谱分析,发现混合区内的动能谱符合-5/3特性。

关键词： RM不稳定化学反应标量耗散率时间尺度谱分析

来源： cnki会议评论

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工业加热 2006年第6期35卷 16-18页

作者：王姣武文斐内蒙古科技大学能源与环境学院内蒙古包头014010

以甲烷/空气的湍流射流扩散燃烧为基础,利用-双方程模型和混合分数方程模型的耦合,依据湍流扩散燃烧中整个区域的混合分数场,给出火焰面形状尺度随过量空气系数的变化规律。模拟结果表明混合分数方程确定火焰面的位置是行之有效的方法。

关键词：混合分数标量耗散率湍流燃烧扩散火焰

非均质介质中溶质衰变反应标置耗散率的分形导数模型

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非均质介质中溶质衰变反应标置耗散率的分形导数模型