工业燃烧室天然气湍流扩散火焰长度影响因素分析

通过1.3MW级工业燃烧器实验验证商用CFD软件计算天然气湍流扩散火焰长度的有效性。以天然气(含有95%CH4和5%N_(2))为燃料,以直径为300mm、长度为1200mm的圆筒形燃烧室中、燃气孔径基本尺寸2mm的同轴射流扩散火焰为研究对象。采用数值计算的方法研究了燃气流量、喷孔孔径、助燃风特性等多种因素对火焰长度的影响规律。研究结果表明:在天然气湍流扩散火焰中,当孔径不变燃气流量增加一倍,火焰长度由652mm增加到782mm,增长19.9%。当燃气流量不变孔径增加一倍,652mm增加到1012mm,增长55.2%。改变燃气孔径是控制湍流扩散火焰长度的有效手段;在一定氧含量范围内,与助燃风氧含量相比,湍流火焰长度对助燃风速度的变化更加敏感。该研究对评估天然气燃烧装备性能和优化燃烧室设计具有重要的应用价值。

湍流扩散火焰细微结构特性分析

利用光学显微技术和计算机图象处理技术 ,在实验基础上 ,对湍流扩散火焰的细微结构进行分析和研究 ,从经典几何和分形几何两个不同角度对湍流扩散火焰细微结构曲线的特性进行定性描述 ,分析火焰细微结构曲线的两个特性参数——曲线度和分形维数与火焰热辐射强度的关系。

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。

多股射流瓦斯燃烧器湍流扩散火焰尺度的实验研究

用火焰图像分析方法,对一种多股射流燃烧器燃烧富含氢气的瓦斯产生的湍流扩散火焰的尺度进行了实验研究,研究了燃烧器结构参数和操作参数对火焰长度和长宽比等尺度特性的影响规律。结果表明,火焰长度随燃烧器喷孔总面积的增大和燃气流量的增大而增大,随助燃空气过剩系数的增大而减小;火焰长度和长宽比随上层喷孔位置角的增大而减小。同时发现,瓦斯中氢气含量对火焰尺度影响较大,随着氢气含量增大,火焰长度和长宽比都明显减小。

采用考虑详细化学反应机理的火焰面模型模拟湍流扩散火焰

采用详细的甲烷氧化化学反应动力学机理(GRI Mech3.0)对不同拉伸率条件下的拉伸层流扩散火焰面结构进行了数值计算,建立了一个包含一系列拉伸层流火焰面结构的火焰面数据库.将这些层流火焰面结构和美国Sandia国家实验室测得的湍流扩散火焰(FlameD)的平均火焰结构进行了对比,发现层流火焰面所覆盖的范围基本包含了所考虑的湍流火焰中不同位置的平均火焰结构,这表明火焰面模型是合理的.然后,采用火焰面模型对该湍流扩散火焰进行了数值模拟并和实验数据进行了比较,考察了火焰面模型的精确程度和模拟深度.

湍流扩散火焰局部熄火和再燃现象的PDF模拟(英文)

对一个值班湍流CH4 O2 N2射流扩散火焰(SandiaFlameD)进行了数值模拟研究.所采用的数学物理模型包括双尺度的k-ε湍流模型,标量联合的概率密度函数(PDF)输运方程方法,甲烷氧化的ARM简化化学反应机理(包含16种组分,12步总包反应)和欧几里德最小生成树(EMST)小尺度混合模型.将计算结果和实验数据进行了比较,不仅对于平均量,对于标量的散点分布和条件概率密度分布也是如此.计算结果表明文中采用的模型不仅能够预测宏观的火焰结构,而且预测了湍流燃烧中复杂的局部熄火和再燃过程.

湍流扩散火焰的非稳态火焰面模拟

采用稳态的和非稳态的火焰面模型同时对一个湍流甲烷射流扩散火焰进行了数值模拟,比较了两者对湍流平均火焰结构、活性自由基和污染物(氮氧化物)排放的模拟效果。速度场采用κ-ε模型计算,守恒标量混合物分数的分布通过其概率密度函数(PDF)输运方程的求解得到。稳态的火焰面结构由查询火焰面数据库得到,而非稳态的火焰面结构由火焰面方程和流场方程耦合求解来计算。采用详细的GRI—Mech 3.0机理描述甲烷的氧化和氮氧化物的形成。数值模拟结果和实验数据作了广泛的对比,验证了火焰面模型对湍流扩散燃烧的定量模拟能力。

湍流扩散火焰中氮氧化物排放的数值研究

对一系列具有不同Reynolds数的湍流甲烷射流扩散火焰中氮氧化物的排放进行了数值模拟, 以考察湍流对氮氧化物排放的影响. 采用一个双尺度的k ε湍流模型计算速度场, 将概率密度函数 (PDF) 方法和 Lagrang ian火焰面模型相结合求解标量场, 燃料甲烷的氧化过程和氮氧化物的生成过程采用详细的 GRI Mech 3 0 机理描述. 将氮氧化物的计算结果和实验数据进行了比较, 并探讨了 Reynolds数、标量耗散和火焰面时间对氮氧化物排放的影响. 发现计算结果和实验数据符合较好, 计算模型正确预测了氮氧化物的生成量随着 Reynolds数的增加而减少的趋势.

椭圆型条件矩封闭模型在湍流扩散火焰中的应用

使用考虑分子扩散与湍流扩散的椭圆型CMC模型对钝体绕流扩散火焰进行了数值模拟计算,计算的工况包括CH4/H2、CO/H2和CH3OH等燃料在空气中的燃烧。在数值计算中使用了k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,并将计算结果与实验数据进行了对比,讨论了计算结果与实验数据之间偏差产生的原因,还分析了条件平均变量的空间变化。结果表明,条件平均温度、OH、CO和NO等组分的质量分数的计算结果与实验数据有着很好的一致性,说明椭圆型CMC模型是一种能有效地预测湍流非预混火焰中组分浓度和温度的计算方法。

瓦斯燃烧器湍流扩散火焰数值模拟研究

利用PHOENICS软件 ,对钝体稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰进行了数值计算 ,验证了k ε湍流模型、三气体燃烧模型及综合辐射模型的有效性。探讨了稳焰块直径和火道张角对燃烧器稳焰特性和火焰长度的影响。用数值模拟方法对瓦斯燃烧器湍流扩散火焰进行了研究。

受浮力作用的湍流扩散火焰的数值模拟

应用浮力修正的k ε模型和EDC湍流燃烧模型对旋流燃烧室内具有较低燃料/空气初始动量的甲烷湍流扩散火焰进行了数值模拟,得到了两组工况下的气体时均速度场、温度场、组分浓度场和湍流脉动速度均方根值分布等,并与实验数据进行了比较,二者基本相符.同时,还将计算结果与标准k ε模型的模拟结果进行了对比,揭示了浮力对具有较低初始动量的湍流扩散火焰的影响.

基于烟点高度的湍流扩散火焰碳黑生成研究

在湍流燃烧中,碳黑的生成会降低火场能见度、增强辐射传热并影响火焰传播,因此,进行湍流燃烧数值模拟研究时,计算火焰中碳黑的生成与分布至关重要。利用概率密度函数(PDF)对基于烟点高度的层流碳黑模型进行湍流修正,将大涡模拟(LES)湍流模型和非预混燃烧模型结合对庚烷和甲苯油池火的碳黑生成与分布进行了预测。结果表明:修正后的湍流模型计算得出的甲苯油池火的碳黑生成预测值与实验值吻合更好;庚烷火焰中的碳黑预测值略低,原因可能是氧化模型碳黑表面积的取值为常数,需进一步修正;模型总体的预测情况良好,表明提出的碳黑生成计算模型基本合理。

氢气扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征的PDF模拟

采用κ-ε湍流模型、标量联合的概率密度函数(PDF)输运方程和层流火焰面模型相结合,模拟氢气自由扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征.给出了主燃区内辐射源项湍流脉动的频率图.辐射源项的样本点分布集中,大约95%以上的样本落在其系综的±3倍方差以内,频谱图为单峰.

坡度条件下湍流扩散火焰形态的实验研究

本文以湍流扩散火焰为研究对象,在不同坡度及热释放速率条件下开展了火焰形态参数演化的实验研究。结果表明,当坡度在10°~15°范围内上升,火焰附着长度的增加主要是由于火焰两侧空气卷吸差异引起的压差。火焰附着长度和水平火焰长度之间呈现出较好的线性关系,火焰附着范围可通过火焰长度及火焰倾斜角来表征。当坡度为0°和40°时,无量纲火焰长度和无量纲热释放速率之间满足幂律关系;相对于坡度为0°时,40°时火焰长度随热释放速率的增长速率较为缓慢。

受限湍流射流扩散火焰的PDF模拟

采用k ε双方程模型和概率密度函数(PDF)相结合的办法,研究受限条件下的湍流射流扩散火焰,着重考虑受限条件下固体壁面、压力梯度等因素对速度场和标量场求解的影响,并在此基础上对两个不同尺寸的受限湍流燃烧场进行计算,分别研究了受限湍流射流扩散火焰的流场结构、火焰结构和火焰形状.最后给出结果,定性分析,并得出结论.

甲烷/空气湍流射流扩散火焰的化学动力学模拟

利用几率密度函数方法求解标量场及用统计矩方法求解流场相结合的手段,对甲烷/空气湍流射流扩散火焰结构进行了计算模拟,其中,考虑了从简化到详细的三种不同规模的甲烷氧化反应动力学机理.计算结果与已有的实验结果进行了比较和分析,表明该模型可以很好地预测流场变化.在预测主要组分和温度时,三种机理具有相同的效果,在预测小浓度组分时,详细机理具有更好的效果.此外,简化机理能够极大地缩短计算时间,因而在工程应用中有着巨大的潜力.

PaSR湍流燃烧模型对典型湍流射流火焰的数值模拟

采用PaSR湍流燃烧模型对湍流燃烧研究中典型的甲烷湍流射流火焰进行了数值模拟。计算采用简化的化学反应机理,并将计算得到的平均温度场、速度场和各组分的分布与相应的权威实验数据进行了对比。对反应系统中流动和燃烧的不同时间尺度以及二者之间的关系作了探讨。计算结果表明,PaSR模型能够很好地模拟燃烧过程中流场和组分的变化。在火焰面附近,由于流动时间尺度与燃烧的时间尺度量级相当,局部混合作用在决定燃烧过程和火焰结构中发挥重要作用。基于PaSR模型的时间尺度分析与湍流火焰理论中火焰/涡旋相互作用的图谱是一致的。

突扩式圆筒燃烧室扩散火焰的数值计算

在文献[1]二维直角坐标下湍流扩散火焰计算机模拟的基础上,研制和开发了二维柱坐标系湍流扩散火焰的计算机程序。用该程序计算了圆筒突扩式燃烧室内的燃烧过程,得到了燃烧过程中气体的速度场,温度场和浓度场的分布。

纳米颗粒在火焰中聚结过程湍流稀释的数值模拟

针对TiO2纳米颗粒合成过程,利用CFD商业软件FLUENT及其自定义函数功能,模拟了燃烧室中湍流扩散火焰的温度场和组分场;把二氧化钛作为一种准气体,在颗粒动力学模型中考虑了火焰中径向湍流引起的稀释作用对颗粒聚结的影响,对产物颗粒直径、聚集块中颗粒的数目等进行了预测,并对结果进行了分析;同时与未加径向湍流稀释项的模拟进行了比较,得出湍流的稀释作用对颗粒的生长过程有一定的影响,并分析了火焰温度、先驱物载体气体、燃料、氧化剂流量等对生成颗粒或者颗粒聚集块的尺寸的影响。

同轴自由射流火焰的实验研究

利用同轴双通道烧嘴,研究敞开环境下氧气-酒精垂直自由射流扩散火焰的特征.计算同轴射流双通道烧嘴的当量直径、Froude数等影响湍流扩散火焰长度的参数,拟合湍流扩散火焰长度的公式.拍摄了曝光时间为1/1 000 s的火焰图像,测量液体燃料在不同操作条件下的破裂长度.实验结果表明,湍流火焰的长度在富氧条件下随着酒精流量的增加而增长,当达到完全燃烧条件时火焰长度达到最大值;湍流扩散火焰的液体破裂长度几乎不随操作条件发生变化.