不同半径圆柱诱导CH4/空气预混燃烧的计算研究

本文研究不同半径圆柱诱导CH4/空气预混燃烧流场。采用保自由流5阶WENO格式求解贴体坐标变换后的多组分Euler方程,用基元反应模型描述CH4/空气燃烧。不同于标准WENO格式通量构造方法,该WENO格式数值通量由方程的解进行WENO插值得到,在曲线坐标系下具有保自由流性质。首先给出了保自由流WENO格式精度和保自由流的数值验证,然后计算圆柱诱导CH4/空气预混气燃烧流场,并考察不同半径圆柱的影响,给出燃烧流场压力与温度等值线和云图、压力和温度沿过驻点线分布。结果表明:在考核计算结果网格无关性基础上,该WENO格式可准确地捕捉激波和火焰阵面形状、激波和火焰面驻点距离,得到的计算结果和文献结果相符。增大圆柱半径,激波和火焰面被推向来流方向,激波和火焰面之间距离也减小。和TVD格式相比,5阶WENO格式采用四分之一的网格数可得到近似相同的计算结果。

管道H_2/空气爆燃流场和动态响应的计算研究

针对反应堆热交换器安全问题,对管道H2/空气爆燃和结构动力学响应进行了数值研究.基于MPI模型和分块求解,利用迎风TVD格式求解多组元带化学反应N-S方程得到了H2/空气爆燃流场.化学源项采用点隐处理,数值点火模型是在指定空间和时间内注入能量CpΔT,用12组元/23反应描述H2/空气反应机理,得到了不同时刻压力、OH质量分数等云图和指定点压力时间分布.基于解耦计算思想,将不同时刻管内壁面压力作为输入载荷,采用FEM求解Lagrange坐标系下的虚功原理,得到不同时刻管道应力、应变云图和指定点等效应力时间曲线.结果表明:本文计算条件下,管道头部点火后,冲击波在慢化剂室和外管组成的空间内不断反射,冲击波经过狭缝(宽2mm)未被所诱导的边界层耗散,即爆燃未熄灭.在狭缝出口处,冲击波和高温燃气射流在内管表面反射并出现重点火.冲击波在下游演化为平面波并在管道端面反射.当管内冲击波产生和传播时,外管、慢化剂壳体和内管产生了以更快速度传播的应力波.应力波在管体内外壁面反射,冲击波在下游传播方向和管道轴线一致,管道受力较小.慢化剂室顶面和侧面交线、下底面和内管连接处均出现应力集中,成为结构易受破坏区域.基于自编计算程序,该文提供了管内气体爆炸引起的管道结构安全的一种分析方法,所得结果和定性物理分析相符,但需作进一步的实验验证.

CH4/空气简化动力学机理数值验证

选择绕圆柱预混燃烧算例,验证CH4/空气三种简化动力学机理(16s41r、15s19r和53s325r).考虑均匀来流,忽略湍流和湍流与燃烧相互作用以及燃料扩散效应,假设层流有限反应速率,采用保自由流5阶WENO格式求解多组分Euler方程组,得到CH4/空气预混燃烧流场温度等值线、沿驻点线压力和温度及其CH4、CO和CO2质量百分数分布.结果表明:三种简化动力学机理给出的流场均出现弓形激波和火焰面,弓形激波和火焰驻点距离及其形状、诱导区宽度和简化动力学机理相关.当圆柱直径增大,弓形激波和火焰向圆柱上游移动,对应的驻点距离均增大,诱导区宽度变短,点火延时变小,但火焰和弓形激波位置次序未变化.53s325r模型要比16s41r模型和15s19r模型精度要高,点火延时覆盖的压力和温度范围也较宽,所有简化机理均未完全反应,在较大圆柱直径下游达到化学平衡.