基于FGM和附加输运方程的NO数值模拟方法研究

为研究污染物NO的数值计算方法,对Sandia Flame D火焰的燃烧流场和NO排放进行了数值模拟研究。采用Realizableκ-ε模型捕捉湍流特征,分别采用绝热和非绝热FGM(Flamelet Generated Manifold)模型模拟热力化学特性,辐射模型采用光学薄模型(OTM)。由于NO的生成过程是慢反应过程,FGM模型的控制变量的时间尺度没有包含NO的时间尺度,因此通过求解NO的输运方程进行NO预测,其化学反应源项由FGM数据库直接插值得到。模拟结果与试验进行对比表明:FGM模型能够很好地捕捉燃烧流场的热力化学特征,但在上游富油区会过高地预测CO;辐射对温度、NO及其化学反应源项分布有非常强的影响,但对H_2O,CO_2,CO的影响较小;采用求解NO输运方程的NO质量分数模拟精度明显高于直接由FGM数据库插值得到的NO质量分数,而且非绝热FGM模型得到的NO质量分数的模拟精度明显高于绝热FGM模型的,为精确模拟NO需要考虑NO的动力学特性和辐射效应。

采用FGM方法模拟钝体稳定火焰中NO_x的生成

为研究燃烧过程中NO预测精度的影响因素,采用火焰面生成流形(FGM)方法对Sydney大学CH_4/H_2钝体稳定火焰HM1中NO生成的预测模型进行研究。分别采用GRI 2.11和GRI 3.0甲烷反应机理构建了绝热和非绝热FGM查询表,辐射模型采用光学薄模型(OTM)。NO的预测是通过独立求解NO质量分数的输运方程实现,其反应速率由FGM查询表查表得到,包括两种处理方式:一种是直接采用FGM查询表中的反应速率;另一种是采用输运方程求解的NO质量分数替换逆反应速率中的NO质量分数。此外还研究了扩展反应进度变量对NO的预测精度的影响。对于流动和主要的热力化学参数,非绝热FGM方法和GRI 3.0可获得更高的精度;求解NO质量分数输运方程可有效提高NO的预测精度,而且第二种NO反应速率的处理方式得到的NO质量分数与试验吻合最好;考虑辐射提高了NO预测精度,并且采用GRI 3.0得到的NO预测结果与试验吻合最好;扩展反应进度变量对由FGM查询表和第一种NO反应速率处理方式得到的NO预测精度在加权因子达到1000时有较大的提升,而对第二种NO反应速率处理方式的结果没有明显的影响。非绝热FGM方法结合第二种NO反应速率处理方式求解NO质量分数的输运方程可以实现高精度的NO预测,此外化学反应机理对NO的预测精度有着非常重要的影响。