火焰增厚燃烧模型计算旋转预混火焰的参数敏感性分析

为了分析各种参数对火焰增厚(TF)模型的影响,并找出各个参数在火焰增厚模型中最佳的适用范围,采用该模型对PRECCINSTA燃烧器内的湍流预混旋转火焰进行了大涡模拟研究,并针对TF模型的主要影响因素:火焰厚度网格数、褶皱函数、动态增厚过程,开展了一系列的敏感性对比计算。研究表明:采用了动态增厚过程的TF计算结果与实验结果的吻合度有明显的提高;如果将层流火焰的厚度增加过大,达到10倍网格尺度,则会对正确预测湍流与火焰的相互作用带来较大困难,对于本文所研究的火焰,火焰厚度网格数的理想范围是2.5~5.0;采用固定指数的幂律褶皱函数相比于传统的Colin褶皱函数并没有明显的改善。

基于动态增厚火焰模型三维全可压缩非预混燃烧的大涡摸拟

利用动态增厚火焰模型对斯坦福大学甲烷/空气燃烧器非预混火焰进行了三维全可压缩大涡模拟,其中湍流亚网格模型采用Smagorinsky-WALE模型,反应机理采用甲烷四步简化机理.将计算结果与层流小火焰模型及实验值进行比较发现:在进口附近的区域,动态增厚火焰模型的预测结果与实验非常吻合,但在远离进口区域,预测的混合作用大于实验值;动态增厚火焰模型的预测效果与层流小火焰模型相当.

障碍物对预混火焰特性影响的大涡数值模拟

障碍物在预混气体火焰传播过程中对其结构及传播特性造成较大影响,对火焰的加速和爆燃转爆轰过程(deflagration-to-detonation transition,DDT)起到直接的促进作用。通过障碍物条件下可视管道中甲烷/空气预混火焰传播实验,捕获其火焰微观结构变化。采用三维物理模型,采用壁面自适应局部涡黏模型(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)的大涡模拟(large eddy simulation,LES),并用火焰增厚化学反应模型(thickened flame model,TFM)对实验过程进行重现。分析开口管道中预混火焰翻越障碍物后的复杂流场变化,并分析层流向湍流转变过程的特点。揭示了在障碍物影响下预混火焰扰动失稳现象的直接原因,是由障碍物引发的3个气流涡团同时作用而形成Kelvin-Helmholtz不稳定及Rayleigh-Taylor不稳定现象耦合作用所导致。

基于DTF和REDIM技术构建的亚网格燃烧模型及其验证

将反应扩散流形(REDIM)技术与动态火焰增厚(DTF)模型结合起来,构建了一种新的湍流预混燃烧模型。用该模型对PRECCINSTA燃烧器全局当量比分别为0.75和0.83的两种贫燃预混旋转火焰开展大涡模拟计算,将计算结果与原DTF模型计算结果以及实验结果进行对比研究,着重分析了速度、温度以及CO2质量分数的径向分布情况。研究表明:新模型的计算结果与实验结果吻合良好,由于新模型求解的组分输运方程数目减少,计算效率比原DTF模型约提高15%;理论上,新模型可推广应用于部分预混火焰的计算,只要采用合适的REDIM化学反应表格,如二维的REDIM表格。

钝体甲烷火焰高掺氢比吹熄机理的大涡模拟

基于开源软件OpenFOAM使用增厚火焰模型结合甲烷骨架机理,采用大涡模拟研究了实验室尺度高掺氢比甲烷钝体火焰吹熄的过程.通过对比相同流量不同掺氢比的甲烷氢气混合气火焰的吹熄过程,研究高氢含量对吹熄过程的影响.采用OH-PLIF和PIV测量了钝体火焰组分场和流场.模拟与实验结果吻合良好,模拟能够很好地捕捉火焰结构和流场信息.高氢含量工况的放热率显著提高,火焰高度明显降低,回流区长度明显缩短.在钝体火焰吹熄过程中,放热率的降低和拉伸作用对火焰吹熄有不同程度的影响,高氢气含量可以显著提升火焰的抗拉伸能力,但是高氢含量钝体火焰热释放速率的快速降低会导致火焰吹熄过程更为迅速.

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.

基于动态全增厚火焰模型对甲烷／空气非预混燃烧的大涡模拟

采用基于释热率构造火焰面探测函数的动态全增厚火焰模型,结合全可压缩大涡模拟方法,对甲烷/空气同轴射流燃烧器的非预混燃烧进行模拟。将此计算结果与动态增厚火焰模型、稳态层流小火焰模型的计算结果及实验值进行比较。结果表明,前两者能够准确捕捉到燃烧器进口前的抬升火焰。动态全增厚火焰模型预测的混合分数、燃烧产物和一氧化碳的分布与实验值非常吻合,且该模型可捕捉到燃烧的全部火焰面。

甲烷及掺氢燃气吹熄极限的大涡模拟研究

利用大涡模拟法计算研究甲烷和掺氢燃气在悉尼非均匀入流射流燃烧器上的吹熄极限.利用GRI 3.0详细反应机理和28步、19步简化反应机理对比计算不同掺氢燃气状态下的层流预混火焰,证明了19步简化反应机理具有良好性能.利用动态增厚火焰燃烧模型结合19步反应机理,计算研究以掺氢燃气(体积比V(H_(2))∶V(CH_(4))∶V(CO)∶V(CO_(2))=0.2∶0.2∶0.27∶0.33)为燃料的悉尼部分预混中心射流火焰.计算得到在FA和FJ布局下,掺氢燃气的火焰吹熄极限速度分别为90 m/s和109 m/s,甲烷的火焰吹熄极限速度分别为74 m/s和128 m/s,分析发现吹熄极限的差异与不同布局下燃气与空气混合不均匀程度相关.研究表明,优化燃气与空气的进气布局和掺混过程可以提升燃烧稳定性.

两种亚网格燃烧模型的对比研究

为详细比较动态增厚火焰模型和火焰锋面密度模型的性能,本文分别采用这两种亚网格燃烧模型对工业燃气轮机PRECCINSTA的模型燃烧室内湍流预混火焰进行了大涡模拟研究。计算结果与实验数据吻合良好,且这两种模型预测得到的速度、温度和主要组分的统计数据也非常接近。然而对于CO的分布两者的预测结果差异明显,文中对此进行了简要分析。研究还表明本文的计算结果与实验数据的吻合度与文献中报道的前期结果相比有所提高。