基于5 kHz平面激光诱导荧光的射流火焰局部熄火时空特性分析

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值等图像处理方法引入平面激光诱导荧光图像的预处理,在局部断裂结构数量特征的基础上,提取局部断裂结构长度和空间位置等特征;基于上述特征深入解析局部熄火的时空分布特性,进一步完善高频平面激光诱导荧光诊断与分析方法。研究表明:双边滤波算法处理后,图像峰值信噪比为34.3 dB,结构相似度为0.93,噪声水平显著降低,获得了较好的去噪效果;使用竖直滑窗局部自适应方法进行图像分割的F1分数达到93.30%;断裂结构累计数量随时间线性增加,当射流马赫数由0.5增至1.6时,单侧图像断裂结构的每秒累计数量从790.7增至9 217.2,并且局部熄火频率与射流马赫数呈指数关系;断裂结构主要分布区域为火焰臂及上侧中央燃料区。本研究进一步拓展了高频平面激光诱导荧光技术的应用能力,证明了高频平面激光诱导荧光技术用于局部熄火时空分布特性研究的可行性。

湍流扩散火焰局部熄火现象的大涡模拟研究

为了研究湍流扩散火焰的燃烧特性和局部熄火现象的机理,使用火焰面/反应进度模型对Sandia湍流值班射流火焰E进行大涡模拟。火焰面/反应进度模型适用于非预混燃烧,基于守恒标量和反应标量构建火焰面数据库,将详细的化学反应过程映射到这两个特征标量的平面上。数值模拟结果与实验数据符合得较好,火焰面/反应进度模型能较好地模拟湍流扩散火焰和预测火焰的不稳定性。研究发现,火焰在轴向距离与中心射流直径比值为7.5至15的截面处局部熄火概率较大,这与该位置标量耗散率偏大有关;火焰在轴向距离与中心射流直径比值为30以后的流场重新点燃,原因是混合物分数和当量比变小,火焰更多处于贫燃状态。

钝体驻定湍流扩散火焰局部熄火的PDF模拟

用标量联合的概率密度函数(PDF)方法对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM3进行数值模拟,速度场用一个修正的LRR-IP雷诺应力模型求解.采用3种不同层次的甲烷反应动力学机理对火焰的宏观结构和熄火特征进行比较研究,并结合当地自适应建表方法加速化学反应计算.结果表明,计算值和实验数据吻合较好,在回流区内,不同反应机理的预测值差别不大,但在"颈部"区域,C2机理相对C1机理可以更准确地模拟标量场的变化和局部熄火现象.

湍流射流C_3H_8/H_2/air扩散火焰中的局部熄火和再燃现象

C3H8是液化石油气的主要成分之一,对其湍流燃烧特性的研究对火灾消防等行业具有十分重要的意义。建立了一维湍流模型(ODT)的大规模计算平台并研究在固定雷诺数Re=9800的情况下,丙烷非预混湍流射流火焰中的局部熄火和再燃现象。丙烷火焰的模拟结果显示局部熄火现象主要发生在近场区域。火焰主要自由基OH、O及主要燃烧产物在局部熄火区域都迅速减少,随着之后再燃的发生,这些组分也开始逐渐增多。但是从这些组分增加的量可以看出,丙烷火焰的再燃过程相对比较慢并且没有达到完全再燃。

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.

PDF方法模拟钝体驻定的湍流扩散火焰

采用标量联合的概率密度函数方法,对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM1进行数值模拟,结合当地自适应建表方法加速化学反应计算,用修正的LRR-IP雷诺应力模型求解速度场.首次对3种不同规模的甲烷化学反应动力学机理进行研究,并与实验数据进行比较,结果表明,模型和反应机理很好地预测了速度场和标量场的变化及局部熄火现象,而考虑反应机理中的C2化学对火焰HM1的影响不大.

湍流扩散火焰中对基于混合分数的湍流燃烧模型的数值研究(英文)

根据条件矩模型(CMC)和小火焰面模型在模型构建上的相似,针对具有不同大小雷诺数和湍流-化学相互作用特性的非预混湍流射流火焰,对这两种模型进行了数值研究和比较.湍流燃烧模型采用Lagrangian型非稳态小火焰模型(LFM)和径向加权积分的CMC模型,而在H2/N2火焰的数值研究中还考虑了稳态小火焰模型的数值模拟结果.数值结果表明,在两种火焰中这两种模型对主要组分的预测结果较为一致并与实验符合较好,而OH和NO的预测值差异明显;同时对于具有局部熄火特性的CH4/H2/N2火焰,NO的预测值被高估了2～3倍.

基于LES的非稳态火焰面/反应进度变量方法模拟部分预混抬举火焰

为了描述部分预混燃烧的火焰机制,捕捉燃烧现象中的非稳态效应,采用大涡模拟与非稳态火焰面/反应进度变量方法相结合来模拟湍流部分预混燃烧抬举火焰,并将计算结果与实验测量值进行了对比研究。结果表明基于大涡模拟的非稳态火焰面/反应进度变量方法捕捉到了湍流部分预混燃烧中的火焰抬举现象,计算得到的火焰抬举高度大致为35,和实验测量值完全一致。同时采用各热力学参数在混合分数空间的分布来研究部分预混抬燃烧中具有非稳态燃烧特性的局部熄火现象。各不同截面上的燃烧热力学参数与实验测量值吻合较好,说明采用该方法能比较真实地反映湍流部分预混燃烧的火焰机制。

H_2/N_2射流扩散火焰的一维全尺度湍流模拟(英文)

采用20步的反应机理并应用多分量扩散进行了模拟计算.讨论了Kolmogorov类型能量级串和多重涡效应导致的局部熄火现象.对于中心线发展量与条件统计量的计算符合实验数据.用一维全尺度湍流(ODT)模型对微量组分OH基和O基进行计算,给出了随着火焰发展自由基生成和消耗的信息.

掺氢比对高Ka数射流预混湍流火焰的影响

在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20%,50%)时对高Ka数下预混湍流射流火焰的影响.结果表明,LES耦合TPDF模型可以较为准确地捕捉火焰高度,模拟该类火焰的速度分布、反应锋面CH的分布以及火焰褶皱及局部熄火等现象.随着掺氢比的升高,火焰高度降低,火焰根部的局部熄火得到显著改善.相比于掺氢,在未掺氢时,由于其更小的临界拉伸率及更少的H2与伴生火焰带来的自由基反应的机会,使得火焰根部出现局部熄火更为频繁.同时进一步发现,火焰根部的燃烧模式与主燃烧区域存在很大区别,火焰根部的扩散作用更为显著.

采用火焰面/反应进度变量方法模拟湍流燃烧

在自主开发的软件平台上添加了火焰面/反应进度变量方法,选取了两种反应进度变量分别对甲烷/空气的同轴射流燃烧室进行了数值模拟.将计算结果与稳态火焰面模型、文献参考值以及实验值进行了对比研究,结果表明:采用火焰面/反应进度变量方法能捕捉到稳态火焰面模型所不能预测到的火焰抬举等非稳态现象,得到的结果与文献参考值以及实验值出入很小,能准确反应真实的燃烧过程;另外不同反应进度变量的定义对计算结果有较大的影响,采用火焰面/反应进度变量方法对主要中间产物一氧化碳的预测比文献参考值更好,更接近于实验值.