简单立方堆积床内火焰特性的试验研究

多孔介质燃烧具有效率高和稳定性好等特点,提出一种简单立方堆积结构.该结构由氧化铝颗粒堆积床和双层碳化硅泡沫陶瓷组成,用以对其中的过滤燃烧特性开展试验研究.通过改变预混气体当量比和入口速度,研究在不同工况下的火焰可燃界限、火焰传播规律、CO排放规律和燃烧效率.研究发现:火焰的驻定和传播取决于区域温度、当量比和流速;在颗粒直径为40 mm的堆积床中,火焰易于传播且燃烧效率较高,而颗粒直径为20 mm的堆积床更有利于稳定火焰.

随机填充型多孔介质的表面燃烧现象

为研究随机填充型多孔介质尾流区域的流动状态和预混气体在其表面燃烧的火焰特性,设计一种新型随机填充结构尾流燃烧器以及可视化实验装置,分析入口流量对填充型多孔介质表面流场的影响,以及甲烷/空气预混气体在其表面燃烧的火焰形态和排放特性。结果表明:冷态流场整体平均空气流量增大20 L/min,流场平均速度增大,涡量和应变率随之增大50%左右;靠近填充床表面区域平均轴向速度高且波动幅度大,远离填充床区域的速度波动幅度减小且趋于均匀分布;当量比对速度分布影响较大,但其对火焰传播的影响相对较小;烟气中CO的含量在空气流量50 L/min、当量比0.91时达到最低值。本文的研究结果对于开发多孔介质表面燃烧器有一定的指导作用。

基于二维数值模拟的梯形太阳池特性分析

以梯形太阳池为研究对象,以Fluent 13.0为平台,建立太阳池热盐双扩散模型,对梯形太阳池进行二维非稳态数值模拟研究,从温度场和流场2个角度验证模型有效性,分析太阳池的温度变化、速度分布及稳定性等特性。结果表明:梯形池温度整体高于矩形池,最大温差可达5℃;同一水平面内温度以两侧低、中间高规律分布;速度环流主要发生在上层对流(UCZ)和下层对流(LCZ),稳定运行后LCZ内出现2个反向大涡旋;上、下交界面存在明显滑移,UCZ与LCZ的厚度存在增厚趋势,故对太阳池进行盐梯度维护是十分必要的。

梯形盐水太阳池的实验与模拟研究

以梯形盐水太阳池为研究对象,搭建表面积2.4 m×2.4 m,底面积1.0 m×1.0 m的小型梯形盐水太阳池,基于实验数据对梯形盐水太阳池进行一维数值模拟,建立热盐双扩散离散模型,改进池底反射模型、辐射透射模型和包括表面热损、壁面热损和土壤层热损在内的详细热损失模型,通过模拟与实验结果的对比验证模型的有效性。结果表明:太阳池梯形结构可增强太阳辐射利用率,减少下对流层散热量,提高太阳池储热能力,从而提升太阳池的供热温度。

三维球形堆积床内湍动特性的数值模拟

采用离散元软件LIGGGHTS重现球形堆积床的重力堆积过程,建立了球形堆积床的三维随机结构模型,同时构建了顺排结构和插排结构两种有序堆积模型与之对比.采用CFD软件Fluent14.0对三种结构堆积床内的湍流流动进行了数值模拟研究.通过宏观阻力系数和压强降的分析,验证了随机模型的有效性,并讨论了球形堆积床随机结构内速度场特性和湍流参数的变化规律.结果表明:与经典的Ergun公式相比,随机模型的宏观阻力系数和压强降的整体误差低于6%;与有序堆积床相比,随机堆积模型具有流体速度场均匀性好、尾旋尺寸大、扰动强烈及瞬时耗散率极值高等特点.

随机堆积床内甲烷/空气预混燃烧过程的数值模拟

通过离散元软件LIGGGHTS重现球体的重力堆积过程,建立三维随机堆积床几何模型.利用大涡方法结合双温度模型以及EBU-Arrhenius燃烧模型,模拟了甲烷/空气预混气体在堆积床内预混合燃烧过程.通过将模拟结果与实验数据对比验证了模型的有效性,在此基础上对随机堆积床内部的火焰分布结构、火焰面形状及温度分布规律等进行了分析.模拟结果表明:在燃烧后期,堆积床内的小球温度要高于同一高度上气体的温度,这体现了多孔介质良好的蓄热能力;壁面与轴线间的火焰面高度差远远小于无多孔介质的管内燃烧情况,表明随机堆积床可以通过分割火焰来提高燃烧的均匀性和稳定性.

电预热多孔介质燃烧器内柴油燃烧的实验研究

通过建立电预热式多孔介质燃烧实验系统,在不需二次点火情况下,实现了液体燃料的预蒸发自维持燃烧.在确定电预热温度场稳定性基础上,分析了柴油在多孔介质内预蒸发燃烧的火焰特征与温度场变化规律,讨论了当量比和空气流量对燃烧特性的影响.结果表明:电预热系统具有很强的稳定性,维持稳定燃烧所需的最低预热温度约为750℃;实验观察到液体预蒸发燃烧过程中出现了稳定火焰和过滤燃烧火焰两种火焰形态;稳定火焰与气体预混合燃烧火焰类似,火焰区最高温度可达1 140.2℃,过滤燃烧火焰传播速度约为1 m/s;随着空气流量的增加,火焰面向下游移动且燃烧更加完全;当量比对温度分布影响较大,但其对火焰传播的影响相对较小.

多孔介质内气/液燃料过滤燃烧的试验

研究了小球自由堆积型多孔介质内丙烷/空气混合气的低速过滤燃烧过程,分析了燃烧室内温度、燃烧波传播速度和排放特性,以及当量比、入口气体速度等参数对过滤燃烧与排放特性的影响;实现了常压下柴油在多孔介质内的预蒸发自维持过滤燃烧,并研究了液体燃料过滤燃烧的温度特性.结果表明:在燃烧的不同阶段,预混合气燃烧波的传播速度与燃烧室内高温区域的范围差别较大;随着当量比增加,燃烧波的平均传播速度降低,燃烧温度升高,排放量增加;随着入口气体速度增大,燃烧波的传播速度增大,排放量降低;液体燃料过滤燃烧的最高温度低于气体燃料的最高温度,且燃烧器的中心温度与壁面温度差异较大.

基于大涡模拟的三维随机球堆积床内湍流流动特性

基于离散元软件LIGGGHTS构建了球堆积床的三维随机结构模型,通过计算多孔介质的宏观阻力系数及局部孔隙率来验证模型的有效性.以典型的径向切面为研究对象,采用大涡模拟和k-ε湍流模型预测多孔介质内的湍流特性与旋涡分布规律.结果表明,随机结构模型能够预测多孔介质的宏观阻力系数及局部孔隙率.大涡模拟不仅能够描述多孔介质内部直径为0.4~2.0mm的细小旋涡和大孔隙内的复杂旋涡结构,而且能够模拟局部孔隙内细小旋涡的产生与发展历程,以及大旋涡的拉伸、分裂直至消失的过程,这与实际情况及湍流基本理论的研究结果相符.

浊盐水自由沉降与太阳池降浊增效实验研究

通过实验室内浊盐水自由沉降实验分析不同盐度、工质及温度下的浊度变化规律,提出采用多孔介质吸附剂进行物理降浊的方法,讨论了4种多孔介质材料的降浊效果;建立2个表面积为2.4m×2.4m、深1.2m的小型盐水太阳池,进行了添加多孔介质的浊度对比实验;通过对实验数据的非线性拟合构建了太阳辐射透射率混合回归模型.结果表明：盐水浊度去除率比卤水高10%左右;盐度从0.2%增至20%时,盐水浊度去除率降低了8%;加入不同多孔介质后,灰尘颗粒自由沉降速度加快,浊度去除率可升高3%～13%;在太阳池内添加多孔介质可有效降低池水浊度,增加池内的太阳辐射透射率.

梯形太阳池热性能与影响因素分析

基于实验数据对梯形太阳池进行了一维数值模拟,建立了热盐双扩散模型,改进了池底反射模型、辐射透射模型和热损失模型,通过模拟与实验结果对比验证了模型有效性.根据模拟结果分析了梯形太阳池温度分布规律、热稳定性及能源效率,讨论了池水浊度对其热性能的影响.结果表明：梯形结构有利于提升太阳池热利用率;太阳池运行初期,各层能源效率在20%~50%,下对流层能源效率最为稳定,维持在25%左右;下分界层稳定性要优于上分界层,温度梯度越大分界层稳定性越差.

新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究

对一新型双旋流燃烧室开展了实验测量,研究了燃烧状态参数2种变化过程对火焰热声振荡特性的影响(过程1:保持甲烷体积流量不变,当量比从0.900逐步减小至0.725再逐步增大至0.925;过程2:保持当量比为0.850不变,逐步增大预混气的体积流量)。结果表明:在该燃烧室中存在M型和V型2种火焰结构;在过程1中,随着当量比减小,火焰由不稳定的M型转变为稳定的V型,其后,随着当量比增大,又逐渐转变为M型,存在明显的滞环现象;在过程2中,仅在初始流量下存在明显的热声振荡现象,随着流量增大,火焰变得稳定;基于压力脉动信号的功率谱特性分析和相空间重构分析,发现该双旋流燃烧室内热声振荡主频率分布于400.0和256.0 Hz左右。

双旋流火焰不稳定性模态转换

采用DTF燃烧模型通过大涡模拟(LES)对本课题组设计的燃烧室中甲烷/空气贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性模态转换现象进行了研究.通过计算不同当量比的燃烧状况,在当量比渐增到0.9附近时,发现火焰结构出现明显变化,火焰模态从M型转换为V型.对此过程计算的数据进行后处理,分析其前后各自温度场,平均轴向、径向燃烧室内速度分布,取x分别为5 mm、15 mm、25 mm、40 mm、60 mm处轴向和径向脉动速度,采用Q准则方法,POD方法分析流场中的涡旋结构,从而分析其燃烧不稳定性和影响火焰结构的主要因素.发现模态转换前平均火焰为“M”型,转换后为“V”型,V型火焰是一种更为稳定的火焰结构,火焰模态的转换受内、外剪切层位置的直接影响并与涡脱落模式有重要关系.

带有局部熄火现象的部分预混火焰大涡模拟研究

对带有局部熄火现象的悉尼部分预混火焰FJ200-5GP-Lr75-103算例进行大涡模拟研究,计算中采用动态k方程亚格子模型和动态增厚火焰(DTF)燃烧模型.考虑当量比变化对层流火焰厚度和速度的影响,在DTF模型中引入两个拟合函数,可根据流场中混合分数的变化自适应调整火焰褶皱函数中的层流火焰参数.研究结果表明,动态k方程模型很好地预测了非均匀预混气的混合分数变化;对于熄火现象比较严重的中下游区域,大涡模拟计算得到的温度、组分的统计信息及温度散点图分布规律与实验数据吻合良好;改进后的DTF模型较好地捕捉到了悉尼非均匀入流部分预混火焰的局部熄火现象,但对于流场下游CO质量分数的预测,计算值比实验结果存在一些偏离.

适用于内燃机喷雾的改进液滴碰撞结果划分准则

本文主要对液滴碰撞领域的反弹/聚合准则进行了改进,并从理论角度分析了Ashgriz和Poo建立的反溅分离/聚合准则的局限性,进而修正了由Munnannur和Reitz提出的拉伸分离/反溅分离重合区域划分准则。结合此前改进的拉伸分离/聚合准则与Gotaas等人建立的反溅分离/聚合准则,最终建立了一套较为完整的适用于内燃机喷雾领域的、考虑内燃机缸内气相特性及不同燃油液滴物性等条件的液滴碰撞结果划分准则,并基于液滴碰撞实验及本文喷雾对撞实验,对改进准则进行了验证。

适用于内燃机喷雾的新液滴碰撞模型

本文将直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法中的时间计数器(Time Counter,TC)法按照喷雾领域对液滴碰撞模型的要求,对粒子碰撞频率、碰撞域的划分以及碰撞对的选取等方面进行改进。通过模拟结果与实验值的对比,表明相对O’Rourke模型与Nordin模型,TC模型对喷雾宏观形态的预测以及对场内液体体积分数(液滴的空间分布)的计算更加准确;对下游索特平均直径的预测与实验值亦更加贴近。

随机堆积床内过滤燃烧特性的实验研究

本文提出了一种可视化燃烧室,用于对3种尺寸的随机堆积结构开展过滤燃烧实验,该结构分别由直径为5,10,15 mm的氧化铝颗粒堆积而成。通过搭建燃烧平台,研究了不同颗粒直径堆积床中火焰的燃烧波高度、火焰传播速度、火焰温度及排放特性。结果表明:在可燃工况下,颗粒直径5 mm堆积床中火焰最高温度随火焰传播过程减小,火焰传播速度变快;而在颗粒直径10和15 mm堆积床中火焰最高温度随火焰传播过程增大,火焰传播速度变慢。