基于人工神经网络的超临界小火焰模型研究

为了解决超临界小火焰燃烧模型数据库过于庞大,导致计算机内存不足和取值性能下降的问题,提出使用人工神经网络(ANN)进行建库的超临界小火焰/过程变量模型FPV-ANN.在先验性分析及在超临界水热火焰的大涡模拟计算中发现,FPV-ANN方法在温度、组分和其他目标变量的分布与传统FPV方法得到的结果吻合,说明FPV-ANN方法的准确性与传统FPV方法一致.由于人工神经网络小火焰库大小只有传统库的1%,FPV-ANN方法在大规模并行计算中消耗更少的计算机内存.FPV-ANN方法的计算速度比传统FPV方法提升了30%.可以看出,提出的FPV-ANN方法具有更好的计算性能.

液体燃料扩散小火焰的实验研究

采用内径分别为1.0、0.6和0.4mm的陶瓷管燃烧器,以液态乙醇为燃料,对其扩散小火焰特性进行实验研究。采用体视显微镜配合数字摄像头对火焰图像进行了可视化测量,得到了火焰图像的无量纲特征尺寸随Re变化关系。分别采用热电偶和红外热像仪对火焰温度及陶瓷管外表面温度场进行了测量,分析了火焰淬熄时的温度特性,并定性地分析了浮力对火焰的影响。

小火焰模型在贫燃预混火焰中的研究

由层流小火焰库引入详细化学反应机理,通过简化的PDF方法计算组分浓度、平均温度和密度等变量,以钝体火焰稳定燃烧室和某燃气轮机上的燃烧室为例,模拟甲烷/空气贫燃条件下预混燃烧的平均火焰位置和火焰厚度,计算结果与实验结果吻合良好,这表明此方法能够较好计算出平均湍流火焰的主要特征。

预混湍流燃烧的level-set小火焰库方法研究

针对燃气涡轮发动机中贫燃预混预蒸发燃烧室,考虑详细化学反应机理,结合Level-set方法与小火焰模型模拟预混火焰,计算了甲烷/空气贫燃预混燃烧的火焰面的位置,并比较了在贫燃条件下各当量比的NO排放值,计算与实验结果吻合较好。

值班甲烷/空气射流火焰的小火焰模型模拟

将小火焰模型和假定的PDF方法相结合,模拟甲烷湍流射流扩散火焰,稳态火焰面结构由层流小火焰数据库得到,采用详细化学反应机理描述甲烷的氧化和NO以及碳烟的生成,数值模拟结果和实验数据吻合较好,说明小火焰模型可以较准确地计算出扩散湍流火焰中的燃烧过程。

甲烷/空气湍流扩散燃烧的小火焰模拟

以甲烷/空气的湍流射流扩散燃烧为基础,对通用的反应标量方程在火焰面上进行坐标变换,建立二维稳态湍流扩散火焰的小火焰模型。利用湍流流动模型、甲烷/空气半详细化学反应机理和小火焰模型耦合求解,分别计算出过量空气系数为1.2和1.4的速度在燃烧室内的分布状况以及混合分数、温度和组分的径向分布,模拟结果表明小火焰模型能够用来描述燃烧室内燃烧机理。

柴油/空气湍流扩散燃烧的一个小火焰模型

本文将小火焰(flamelet)理论应用于分析柴油/空气湍流扩散燃烧的小火焰结构,以正十二烷同空气的一步反应为基础,建立柴油机燃烧的Flamelet模型,利用数值方法求出了柴油机湍流扩散燃烧的Flamelet结构。并采用假定PDF的方法,选取截尾式高斯分布的概率密度分布函数,将其与Flamelet结构相结合,求得燃烧过程中各参数的时均值,分析得出湍流脉动和非平衡作用对燃烧过程的影响。

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

以甲烷/空气的湍流射流非预混燃烧为对象,建立二维稳态湍流非预混火焰的小火焰模型。利用湍流流动模型和小火焰模型耦合求解,计算出速度、混合分数、温度以及反应标量的摩尔分数在燃烧室内的分布,模拟结果表明小火焰模型能够用来描述燃烧室内燃烧机理。

双尺度小火焰模型预测混合层火焰中PAHs的生成

本文验证了双尺度过程变量小火焰方法在层流混合层火焰中的适用性,该方法通过增加额外的过程变量CPAHs来提高传统过程变量小火焰方法对多环芳烃的预测能力.通过与直接数值模拟结果的先验和后验对比,证明了该方法的优越性.在后验验证中,由于对过程变量CPAHs源项的偏低预测继而导致了对多环芳烃组分峰值的预测偏低.通过分析直接数值模拟结果中的小火焰分支,推测过程变量CPAHs源项的偏低预测是小火焰的多维性造成的.

层流小火焰模型在柴油机湍流燃烧中的应用

将湍流燃烧的层流小火焰模型应用于典型的柴油机扩散燃烧过程。以混合分数为自变量,以标量耗散率为参数,建立相空间中的层流小火焰数据库。应用K IVA-3程序模拟内燃机缸内多维湍流流场,并补充求解混合分数的时均值和脉动均方值的湍流输运方程。将两部分结果通过B eta概率密度函数进行耦合积分,便可得到组分质量分数和温度等参数在柴油机工作过程中的时间、空间分布。对一台直喷式柴油机的湍流燃烧过程进行了模拟计算,所得结果符合实际。

基于小火焰生成流型模型的喷雾燃烧数值计算

基于OpenFOAM开发了小火焰生成流型模型,并针对ECN(engine combustion network)Spray H(正庚烷喷雾燃烧)进行了数值模拟,研究了该模型对喷雾燃烧数值模拟的适用性.结果表明,该模型能够很好地捕捉着火延迟等特征参数.同时对比了基于OH质量分数和温升两种火焰浮起长度定义,结果显示前者对取值更不敏感,且能与实验更好地吻合.此外,深入分析了着火位置和燃烧发展历程,结果表明,在氧体积分数8%和12%工况,着火点的当量比均在0.8左右.对于氧体积分数15%工况,反应进度变量集中生成的区域对应于温度峰值,燃烧最迅速区域的当量比略大于1.

基于Level set的小火焰模型在湍流预混燃烧中的应用

较详细地分析了基于Level set方法的小火焰模型应用于湍流预混燃烧的原理及特点.并且以矩形突扩燃烧室中甲烷/空气湍流预混燃烧为例,应用数值模拟方法计算其组分浓度和温度在火焰内部的分布.计算结果与实验结果吻合良好,这表明此模型能较好地模拟湍流预混燃烧.

旋流燃烧器复合小火焰模型的大涡模拟

对低旋燃烧器内的流动和燃烧进行了大涡模拟,其中化学反应分别采用传统的扩散小火焰模型和所提出的复合小火焰模型描述。复合小火焰模型借助于燃烧区索引的概念区分当地的燃烧模式,若当地的燃烧为扩散燃烧,则调用扩散小火焰库,否则调用预混小火焰库。数值结果与实验数据的对比表明,采用大涡模拟方法结合小火焰模型能够很好地模拟实验室尺度的低旋燃烧器,且采用复合小火焰模型能够得到更加符合实际的结果。

基于层流小火焰和beta-PDF的预混燃烧模型

研究了基于层流小火焰概念和假定beta-PDF(probability density function)的湍流预混燃烧模型.该模型采用PREMIX程序来计算层流小火焰,将计算结果表示为进程变量的函数,并利用进程变量的be-ta-PDF积分生成了用于RANS(雷诺平均Navier-Stokes)计算的PDF表.以化学当量的甲烷湍流本生火焰为算例对模型进行了计算验证,并与Zimont模型的计算结果和实验结果做了对比.结果表明,平均速度分布与实验符合的较好,温度和湍动能计算结果有待改善.本模型高估了化学反应速率,导致计算火焰比实际瘦,这是因为模型中未能考虑湍流对火焰的拉伸和弯曲效应,考虑湍流拉伸和弯曲效应的预混燃烧模型是今后进一步研究的方向.

油气爆炸过程火焰燃烧模式的实验估计

首先分析讨论了油气爆炸过程中火焰燃烧模式的估计方法,然后在激波管内进行了低、中、高3次不同初始油气浓度条件下的油气爆炸实验,通过实验数据分别计算出了低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸在初期、中期和后期的丹姆克尔数和湍流雷诺数,最后依靠丹姆克尔数-湍流雷诺数图对低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸初期、中期和后期的火焰燃烧模式进行了定量估计。结果表明:低、中、高初始油气浓度条件下激波管油气爆炸过程初期、中期和后期的火焰燃烧模式均为漩涡内小火焰模式。

湍流分层燃烧的直接数值模拟和小火焰模型研究

湍流分层燃烧广泛应用于工业燃烧装置,但是目前还比较缺乏适用于湍流分层燃烧的高精度数值模型。本文利用直接数值模拟数据库,对高Karlovitz数分层射流火焰的小火焰模型表现进行了先验性评估。考虑了两种小火焰模型,一种是基于自由传播层流预混火焰的小火焰模型M1,另一种是基于分层对冲小火焰的小火焰模型M2。研究发现M1和M2在c-Z空间的结果与直接数值模拟在定性上是一致的。在物理空间,M2对过程变量反应速率脉动值的预测结果要优于M1.

单喷嘴火箭发动机高频燃烧不稳定的RANS和SBES数值模拟

为了研究不同湍流模型对高频燃烧不稳定的捕捉能力,采用非稳态雷诺时均(Unsteady Reynolds averaged Navier-Stockes,URANS)和应力混合涡模拟(Stress-blended eddy simulation,SBES),开展了单喷嘴模型火箭发动机数值仿真。化学反应与湍流的相互作用采用基于详细化学反应机理(GRI Mech 3.0)的小火焰生成流模型(Flamelet-generated manifolds,FGM)。对比试验数据,验证了模型的准确性;全面对比了URANS和SBES仿真结果;分析了燃烧室的压力波模态特性和流场动态特性。发现两者都能捕捉到高频燃烧不稳定,但URANS对动态特性的捕捉明显不足,压力振荡峰峰值与试验值相比误差高达57.6%。而SBES对包含涡脱落、湍流混合、压力波的传播等动态特性能够实现较好的捕捉,压力振荡峰峰值与试验值误差仅为7.6%。URANS结果表现出高度的对称性,而SBES结果则更加合理。燃烧室和氧管的压力振荡相互耦合,引起推进剂质量流量脉动和燃烧室突扩面周期性涡脱落。涡脱落及其与燃烧室壁面的相互作用增强了脉动释热,是维持燃烧不稳定的关键。

柴油机湍流燃烧小火焰结构的数值计算

将层流小火焰理论的基本思想应用于柴油机燃烧过程的模拟,以碳十二烷同空气的一步反应为基础,建立柴油机燃烧的Flamelet模型.在模型的实际应用计算中,对碳十二烷燃烧过程中组分浓度和温度的偏微分方程,采用了离散化的数值计算方法,通过对源项的线性化,圆满地处理了强非线性源项的问题,得到了比较合理的计算结果.

小尺度湍流对近极限非预混火焰熄灭极限的影响

基于“比拟理论(analogy theory)”,本文研究了小尺度湍流引发的传热传质增强作用对湍流非预混火焰熄灭极限的影响.结果表明:小尺度涡的传热传质增强作用使湍流非预混火焰层厚度增厚,火焰温度降低,火焰层内活性自由基H和OH的摩尔分数降低.化学反应时间和停留时间都随湍流强度增加而增加;但在同一湍流强度下,不同燃料浓度的非预混火焰熄灭临界达姆克勒数(Damköhler number)近似为定值,该临界达姆克勒数随着湍流脉动速度的增加而增加.

基于多门控混合专家网络的燃烧热化学流形表征

为了更好地在小火焰燃烧模型框架内实施燃烧热化学流形表征,采用多任务学习领域中的多门控混合专家网络(MMoE).通过对三维层流喷雾射流火焰构型进行详细化学(DC)模拟,构建原始数据集.原始数据集经过Box-Cox转换和标准化处理,以应对燃烧数据的多尺度分布问题.对数据集进行Pearson相关系数分析,结果表明部分化学组分之间无明显的相关性.分别构建同等参数量规模的MMoE和前馈神经网络(FNN)模型,对比分析结果表明,2种模型取得的损失值和决定系数相近,但相比FNN模型,MMoE模型在训练过程中更加稳定,且取得的定量预测结果更加准确.