尺度自适应模拟的网格尺度关联分析

采用尺度自适应模拟(SAS)对雷诺数3900的圆柱绕流展开数值模拟,对比分离涡模拟(DES)的计算结果和已有文献中的实验数据,系统研究了SAS和网格尺度的关联性问题。详细研究了不同网格分辨率和展向计算域的影响,分析了冯卡门尺度在尾迹区的时均湍流统计特性和瞬时分布规律。结果表明:在相同的网格分辨率下,SAS预测的回流区长度小于大涡模拟(LES),表现出较早的剪切层失稳;网格加密后,SAS预测的回流速度增大、雷诺应力峰值降低,计算结果与Lourenco&Shih的实验结果相接近。此外,在相同网格分辨率下改变展向计算域大小对SAS结果的影响很小。对SAS的网格尺度关联分析可以为该方法的工业应用提供指导。

正庚烷/甲烷混合燃烧特性数值分析

针对燃气轮机的双燃料混合燃烧问题,采用直接关系图法对NUI(National University of Ireland)机理进行简化(含204组分,902步反应),在此基础上数值研究了甲烷质量分数和体积分数对正庚烷/甲烷混合燃烧特性的影响。结果表明:提高甲烷体积分数会使混合燃料的着火延迟时间非线性增加,层流火焰速度、绝热火焰温度、一氧化碳排放下降;当甲烷体积分数超过70%时,混合燃料的层流火焰速度和着火延迟时间对甲烷体积分数较为敏感。此外,对于采用正庚烷/甲烷的环形燃烧室,在保持混合燃料热值不变的条件下,两种燃料的火焰锋面位置基本相同,且随着甲烷质量分数的升高,火焰长度和托举高度逐渐增加,燃烧效率、总压损失、一氧化碳和氮氧化物排放逐渐下降;当甲烷质量分数低于30%时,火焰呈“V”型,高于30%时火焰呈“M”型。

组分变化对甲烷氧化特性影响

在射流搅拌反应器实验平台上针对温度范围850~1 300 K、常压条件下的甲烷氧化反应过程进行了实验研究,采用气相色谱仪测量了变组分条件下(当量比范围0.2~2、氧气体积分数2%~8%、二氧化碳体积分数0~20%、水蒸气体积分数0~20%)主要反应物(CH4、O_(2))、主要中间组分(C2H6、C2H4、C2H2、H2)和主要污染物(CO、CO_(2))的摩尔分数,并分析了主要反应物、中间组分以及污染物生成的影响因素和影响规律。研究表明,随着当量比和含氧量的增加,主要中间组分的摩尔分数升高;二氧化碳体积分数的增加对中间产物的生成有微弱的抑制作用,却使得污染物浓度大大增加;水蒸气体积分数的增加导致氢气生成量显著增加,同时促进一氧化碳的生成,而对二氧化碳的生成影响很小。

温度和压力对低热值燃料层流燃烧特性的影响

为阐明低热值燃料在燃气轮机工况下的燃烧特性,在定容燃烧弹中测试了初始压力分别为0.10、0.15、0.20 MPa,初始温度分别为303、353、403、453 K,当量比范围为0.8~1.6,体积分数为7%H2、21.72%CO、21.45%CO2、49.83%N2的高炉煤气层流燃烧速度,并采用Gri-Mech 3.0化学反应机理对其进行了数值模拟。实验和模拟均发现,低热值燃料的层流燃烧速度随着初始压力的降低而增高,随着初始温度的增加而升高,且层流燃烧速度随温度和压力并非呈现单调性的变化规律,并在实验工况范围内对层流燃烧速度进行了温度和压力拟合。通过敏感性分析发现:主要的正向促进反应为R99、R46,主要的逆向抑制反应为R45、R36,层流燃烧速度受高活性自由基的影响,与链终止反应与链分支反应关于高活性自由基的竞争有关;随着初始压力的降低和初始温度的升高,高活性自由基摩尔分数增大,从而导致层流燃烧速度升高。