湍流燃烧二阶矩模型DNS检验研究进展的回顾

现有的湍流燃烧模型中,有的缺乏普适性,也有的用于大涡模拟的计算量太大.一种基于湍流流动模拟思路的统计矩方法被提出来,称为二阶矩(second-order moment,SOM)燃烧模型,用于非预混射流火焰和旋流火焰的雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling,RANS)和大涡模拟(large-eddy simulation,LES),以及钝体后方预混火焰的大涡模拟,已经得到实验结果的良好检验.进一步的研究是该模型的直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)检验.本文对作者以及文献中报导的SOM模型DNS检验的研究进展进行了回顾.

纯氢阵列微管预混火焰结构及湍流燃烧速度测量

为给出稀燃环境45~87 m/s流速下的纯氢微混火焰的湍流燃烧特性,采用阵列微管喷嘴模型燃烧室进行研究。通过粒子图像测速技术与羟基平面激光诱导荧光技术诊断火焰,研究了纯氢湍流火焰前锋面结构及火焰热态流场,得到火焰前锋面尺度信息及微混燃烧室湍流参数,包括火焰体积、火焰面密度、湍流强度、湍流积分尺度和湍流燃烧速度。研究结果表明:微混燃烧室出口的湍流强度随着来流速度线性增加,火焰前锋面凸向未燃气与凹向未燃气的概率基本相同,并且随着湍流强度的增加,火焰的小尺度结构和褶皱程度有所增加。这些变化导致火焰面密度的增加,从而增加了湍流火焰面积和湍流燃烧速度。此外,氢气微混火焰归一化湍流燃烧速度达到7~11,约是火焰面积比3.5~5.5的两倍,这主要是因为稀燃氢气火焰的路易斯数较低,导致火焰局部燃烧速率超过了层流燃烧速度。因此,稀燃纯氢微混湍流火焰的燃烧速度的增加主要由火焰面积的扩大和局部燃烧速率的增强共同影响。该研究为优化阵列微管喷嘴模型燃烧室及微混燃烧技术提供了理论依据和实验支持。

氢气掺混甲烷对湍流燃烧及NO生成排放的影响

采用非绝热火焰面-反应进度变量湍流燃烧模型和非绝热、非稳态NO计算预测模型,针对DLR双旋流燃烧室中的旋流喷射、混合和燃烧过程,开展了大涡模拟研究,获得了纯甲烷、体积分数30%和60%氢气掺混甲烷湍流燃烧的流场结构、火焰特性和NO分布的详细计算结果.分析表明,由于燃烧室中的流场主要由旋流空气所决定,掺氢燃烧的速度分布与纯甲烷燃烧没有明显区别.掺氢燃烧的外回流区温度降低,中心回流区温度升高,放热区域向上游移动,放热速率增大而放热区域减小.NO主要产生于内剪切层,外剪切层和高速剪切流的下游区域;在纯甲烷算例中,快速型和热力型机理所生成的NO数量相当,而掺氢燃烧中快速型机理所生成的NO减少、热力型机理所生成的NO则明显增多.

TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型及其检验

先进航空发动机燃烧室设计要求对湍流火焰精确控制,现有模拟方法需提高精度和效率。输运概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型精度高,代数二阶矩(ASOM)湍流燃烧模型计算成本低,类比离散涡模拟思想,基于Da数将湍流燃烧场区分“高精度”和“低成本”2个区域,在输运方程框架下采用随机场TPDF(高精度)和ASOM(低成本)方法重构TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型,以提高模拟的整体精度和效率。在大涡模拟(LES)-TPDF程序平台创建ASOM并进一步实现TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型,用Flame D实验数据检验所建模型和方法。结果表明:所建模型的预测结果与实验值接近,而且能够兼顾精度和计算效率。

大涡模拟及其在湍流燃烧中的应用

大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段，在国际上已经得到广泛应用．本文在回顾了大涡模拟（ＬＥＳ）的基本思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式和亚格子燃烧模式中的研究成果，同时给出了采用不同亚格子模式的大涡模拟在湍流燃烧中的应用实例，指出了大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用，为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考。

湍流燃烧数值模拟研究的综述

对湍流燃烧数值模拟的研究进行了综合评述，其中涉及直接数值模拟（ＤＮＳ）、大涡模拟（ＬＥＳ）、随机涡模拟、概率密度函数输运方程模拟、条件矩模型、简化概率密度函数模型、关联矩模型以及基于简单物理概念的一些唯象模型等几个重要方面．对全面了解湍流燃烧数值模拟的研究现状及前景提出了看法．

基于粒子系统的湍流燃烧火焰的可视化研究

引入粒子系统作为可视化建模的基本方法 ,建立了包含火焰粒子子模型、湍流流场子模型和燃料属性子模型的湍流燃烧火焰可视化模型 通过将温度场与湍流流场的有机结合及燃烧室内网格体单元的颜色与透明度的显示 ,实现了湍流燃烧火焰的三维动态传播可视化 最后 ,结合实例给出了火焰效果图 。

利用OH-PLIF测量CH_4/H_2/空气混合气湍流燃烧速率

利用OH平面激光诱导荧光技术测量CH4/H2/空气预混湍流火焰前锋面结构,得到湍流燃烧速率.采用不同孔径和开孔比的湍流发生板,产生不同湍流强度和尺度下稳定的预混湍流火焰供OH-PLIF测量.利用500张瞬时火焰结构图片得到湍流火焰前锋面的平均位置,运用角度法得到湍流燃烧速率.分析了掺氢比和湍流强度对湍流燃烧速率的影响,并给出了拟合关系式.实验结果表明,湍流燃烧速率随湍流强度的增加而增加,这是由于流场尺度减小引起火焰锋面面积增加.湍流燃烧速率随掺氢比的升高略有增加,这是由于掺氢引起火焰不稳定性增强,导致火焰对湍流流动的响应增强,增强了湍流火焰前锋面褶皱,从而增加了火焰面面积.湍流燃烧速率可以表示为ST/SL∝a(u′/SL)n,其中指数n约为0.35.

旋流数对湍流燃烧中NO生成影响的研究

通过实验和用湍流燃烧二阶矩概率密度模型对不同旋流数下甲烷-空气湍流燃烧和NO生成进行了研究。在燃料中加入少量氨模拟燃料氮。研究结果表明,随旋流数的增大（由0到1）,热NO排放先上升后下降,而总NO和燃料NO排放则先下降后上升。旋流数增大使湍流强度先下降然后稍有上升,使进口附近温度先上升然后稍有下降。热NO的生成受温度的影响更大而燃料NO的生成受湍流的影响更大。

湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展

本文对湍流燃烧大涡模拟(LES)的最近国内外研究进展,各种亚网格燃烧模型的主要特点和应用效果,包括作者所在的研究组取得的研究成果,进行了论述,指出了今后燃烧LES研究应当加强的方向。

湍流燃烧模型在燃烧室数值计算中的对比分析

对比分析了不同燃烧模型对某型回流式燃气轮机燃烧室流场的影响,建立了描述燃烧室流场的控制方程组,采用Realizable k-ε湍流模型,湍流燃烧模型分别为涡耗散模型(ED)、涡耗散概念模型(EDC)、简单概率密度模型(PDF)和稳态小火焰模型(SFM)。对比分析了不同燃烧模型下燃烧室的温度场、速度分布以及NOx排放量,并与该燃烧室实际工作性能做了对比。结果表明:ED与EDC模型均高估流域最高温度,造成NOx排放过高,而PDF与SFM均合理地模拟出燃烧室内部流场,尤以SFM模拟的效果最佳;四种模型均合理模拟出口温度场和速度场。

湍流燃烧模型在燃气轮机燃烧室模拟中的运用与对比

利用Fluent商业软件,对燃气轮机燃烧室C16H29非预混燃烧流场进行数值模拟。针对燃烧室的额定工况,分别采用简单概率密度函数模型、涡耗散模型、涡耗散概念模型的2步反应和5步反应过程,对湍流燃烧流场进行对比数值分析,同时,考察燃烧室Thermal和Prompt NOx排放性能。通过比较发现,有吸热反应过程的EDC-5步模型所得流域内燃烧区温度较低;出口温度均匀性最好,最大不均匀度28%;NOx排放量最少。结果表明,该模型能够更合理地预测燃烧室的流场分布。

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κ-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.

湍流燃烧模型对双旋流燃烧室喷雾燃烧的影响

采用数值模拟与试验测量相结合的方法,研究扩展旋涡破碎模型、扩展二阶矩模型和涡团耗散概念模型等三种湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧流场的影响。在任意曲线坐标系下数值研究双级轴向旋流器环形燃烧室全流程流场,采用粒子图像测速仪测量燃烧流场气流速度分布,热电偶测量燃烧室出口温度分布。计算结果与验证试验数据比较表明:不同湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧影响较大,所得的回流区形状、速度、温度场以及出口温度分布等都不太相同,其中扩展二阶矩模型所得的结果与试验值符合最好,更适用于模拟双旋流环形燃烧室湍流喷雾燃烧。

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。

底部排气弹三维湍流燃烧的数值模拟

为了研究底部排气减阻机理,发展了一套多块结构网格三维湍流流动与燃烧的计算软件(MSTCS-3D)。计算软件采用3阶MUSCL重构方法并耦合Steger-warming通量分裂技术,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,湍流流动模型采用k-ωSST模型,化学反应动力学模型采用CO-H2-O2反应系统8组分12步基元反应模型,湍流燃烧模型采用二阶矩模型。采用该计算软件,分析了底部排热空气/真实气体、来流马赫数对底部排气弹底部流场结构的影响以及对减阻特性的影响。计算结果表明,底排真实气体和底排热空气数值模拟结果差别较大;底部二次燃烧主要发生在弹底的二次回流区;来流马赫数越大,初始回流区后退距离更大,同时减阻效果也越好;编制的计算软件具有较高可靠性,可作为深入分析底部排气减阻机理的工具。

一次风旋流数对燃烧室内湍流燃烧与NO_x生成的影响

本文在分级进风旋流燃烧室的实验装置上进行了湍流燃烧的实验研究。测量了在不同的一次风旋流数下,气体的时均温度、O2、CO2、CO和NO浓度的分布。利用实验测量结果分析了一次风旋流数对燃烧室内湍流燃烧及NOx生成的影响。

三维加力燃烧室湍流燃烧的数值模拟

本文对涡扇发动机三维加力燃烧室内的气相湍流燃烧过程进行了数值模拟 .湍流模型采用标准k ε模型 ,湍流燃烧采用涡旋破碎 (EBU)模型 ,数值方法采用SIMPLE算法 .

基于火焰面模型的超声速湍流燃烧数值模拟研究

在非结构混合网格有限体积框架下,将RANS方程和层流火焰面模型相结合,开展超声速湍流燃烧流动数值模拟研究,时间和空间离散分别采用LU-SGS格式和HLLC格式。用SST k-ω模型模拟湍流,FlameMaster 3.9生成火焰面数据库,并采用β-PDF和δ-PDF分布来考察湍流和化学反应的相互作用。采用该数值方法,对DLR氢燃料超燃燃烧室和北航乙烯燃料气动斜坡超燃燃烧室开展了数值模拟研究,并将数值计算结果与实验数据进行对比,二者符合较好。研究结果表明:在主流中心支板顺流喷射超燃燃烧室内,燃烧主要发生在支板后的燃料/空气混合层内,并且火焰核心落在恰当混合物分数Z st附近区域。

分级进风燃烧室内湍流燃烧的实验研究

为有效地利用分级燃烧技术,达到高效燃烧和低NOx排放的目的,文中建立了分级进风燃烧室热态实验装置系统。利用三维激光粒子动态分析仪(PDA),选取空心微珠(粉煤灰)作为示踪粒子,对燃烧室内湍流燃烧的气体瞬时速度场进行了实验测量。同时还测量了该燃烧室内气体平均温度和组分浓度分布。在同一工况条件下,获得了分级进风燃烧室内湍流燃烧的一组完整的实验测量数据。包括气体轴向与切向速度场、温度场、O_(2)、CO_(2)、CO与NO浓度场及轴向与切向脉动速度均方根值和轴向?切向脉动速度关联量分布。