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内燃机学报 2019年第3期37卷 213-221页

作者：卫海桥陈伟睿赵万辉周磊天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

采用输运概率密度函数模型(TPDF)开展了不同初始环境温度、氧体积分数下正庚烷喷雾火焰发展过程模拟研究.以发动机燃烧网络(ECN)试验数据为基准,首先将模拟得到的着火延迟期和火焰浮升长度与均质反应器模型(WSR)模拟结果以及试验结果进... 详细信息

采用输运概率密度函数模型(TPDF)开展了不同初始环境温度、氧体积分数下正庚烷喷雾火焰发展过程模拟研究.以发动机燃烧网络(ECN)试验数据为基准,首先将模拟得到的着火延迟期和火焰浮升长度与均质反应器模型(WSR)模拟结果以及试验结果进行对照,发现氧体积分数较低时,由于TPDF模型能够对小尺度上组分和温度的湍流波动进行精确求解,可获得准确的燃烧特征量.然后基于TPDF方法,系统分析和对比了不同初始环境条件下准稳态火焰结构以及火焰发展过程的燃烧特征,发现在不同的初始温度和氧体积分数条件下,着火均首先出现在浓混合气区域.降低初始环境温度,高当量比区域反应活性下降,导致着火推迟,燃油与空气有更长的时间进行混合;降低温度的同时降低氧体积分数,则导致着火进一步推迟,油、气混合更为充分.着火位置混合气的浓度较高温、高氧体积分数条件有所降低,燃烧消耗了本来就不足的氧气,导致高当量比区域更难发生反应.

关键词：正庚烷喷雾燃烧输运概率密度函数火焰结构

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高Karlovitz数湍流预混射流火焰大涡模拟

高Karlovitz数湍流预混射流火焰大涡模拟

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作者：赵连民天津大学

学位级别：硕士

为了满足严格的排放法规,稀薄预混燃烧技术在现代燃气轮机中越来越重要。这些动力设备通常在高压、高湍流、高Karlovitz数下运行,涉及到复杂燃料强剪切区内的火焰传播,使得燃烧室内流动、混合、燃烧的相互作用变得非常复杂。了解高Ka数... 详细信息

为了满足严格的排放法规,稀薄预混燃烧技术在现代燃气轮机中越来越重要。这些动力设备通常在高压、高湍流、高Karlovitz数下运行,涉及到复杂燃料强剪切区内的火焰传播,使得燃烧室内流动、混合、燃烧的相互作用变得非常复杂。了解高Ka数下预混湍流火焰特征对于开发高效率、低排放的燃烧室至关重要。本文采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)的方法对高Ka数甲烷/空气湍流预混射流火焰特征进行了研究。本文的研究对象是带伴流的甲烷和空气射流燃烧器,采用了开源软件OpenFOAM reacting Form求解器耦合基于欧拉随机场的输运PDF方法,为了加快化学反应速率,使用了化学坐标映射(CCM)方法。在计算初始时刻,入口处的平均射流轴向速度分布是使用完全发展的湍流管流的幂律速度,在此基础上叠加一个给定湍流强度、积分尺度的初始湍流场形成湍流入口。计算中采用GRI-Mech 3.0的甲烷空气反应机理,其中包含44种组分268个基元反应。文中首先在冷态流场中对比了Smagorinsky和动态Smagorinsky湍流模型,发现对于由于中心射流速度与伴流之间较高的速度梯度,导致流场中出现了卷吸现象。但另一方面,卷吸效应带动周围热伴流气体不断进入中心射流,能够促进高温产物与反应物的快速混合,加强湍流与燃烧的相互作用,促进燃烧。通过关键中间组分CH,HCO,CHO和OH组分的二维空间分布和概率密度函数的分析,发现火焰中的CHO层明显变宽,并且厚度随射流下游距离和湍流强度的增加而增加。文中进一步对比了两种燃烧模型:充分搅拌反应器(well-stirred reactor,WSR)模型和输运概率密度函数(transported Probability Density Function,tPDF)。结果表明火焰充分发展后,对于高Ka条件下的射流火焰,随着火焰向下游发展,火焰面密度函数减小,火焰明显变宽。为了探究传统的组分标识物能否准确来反映放热,定性和定量地对比了LES中热释放率与其替代物的瞬时图像,发现热释放率与其替代物([CHO][OH],[CHO][H],[CHO][O]和[HCO])之间有良好的相关性。文章最后对局部Ka数进行了研究,发现和全局Ka数不同,局部Ka数分布的范围很广泛,变化达到两个数量级,且靠近射流喷嘴处以及火焰的低温区域的局部Ka数较大。

关键词：大涡模拟高Karlovitz数分布反应区湍流和燃烧的相互作用输运概率密度函数

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