基于LES-FGM方法的部分预混湍流燃烧中间组分模拟

基于FGM建表燃烧模型对德国达姆施塔特工业大学的MRB部分预混湍流火焰开展大涡模拟,并对比研究了预混和部分预混FGM建表方法对模拟的影响.结果表明,不同建表方法对MRB火焰结构、速度分布和主要组分分布等影响较小,但部分预混建表能显著提升中间组分CO和H_(2)的模拟可靠性.其根本原因是部分预混建表使用了对冲火焰模型,能够充分引入燃空混合过程对中间组分的影响.通过添加额外的组分输运方程可提升预混火焰建表对中间组分模拟的可靠性,且前人提出的拉伸作用在该火焰中影响较小.该研究为基于建表方法的部分预混湍流燃烧准确模拟提供了重要参考.

部分预混超声速燃烧火焰面模式研究综述

采用部分预混火焰面模式建模与仿真已经成为超声速燃烧数值研究的主要趋势之一.系统回顾了超声速燃烧火焰面模式的发展历程,针对其应用的两个基本问题进行总结:一是火焰面模式在超声速燃烧中的物理存在问题,二是超声速燃烧火焰面模式的建模问题.重点分析了火焰面模式应用于超声速燃烧的难点,提出了超声速燃烧火焰面模式建模应兼顾的问题.

声场作用下甲烷部分预混火焰不同当量比和流速对NO_x生成的影响

采用Rijke型脉动燃烧试验台,利用火焰直拍图像、NOx采集系统,对声场作用下甲烷部分预混火焰在不同当量比和流速下的NOx生成特性进行了比较和分析。结果表明,随着当量比的增大,在3.3-4处NO排放因子（NOemissionindex,EINO）出现拐点EI,当量比小于EI时,EINO随当量比的增大而先增后减;当量比大于EI时,EINO随当量比的增大而增大。当量比在2-4时,混合气流速对EINO的影响较小;当量比大于4时,EINO随着流速的增加而增加,但相对于稳态燃烧,EINO随流速增加的速率明显减小,原因在于,流速的增大致使火焰长度增加,燃料在高温区域停留时间变大,而相对于稳态火焰,脉动声场的作用使火焰长度变短。

协流部分预混燃烧器设计及激光诊断测量

针对液体燃料层流燃烧的实验测量需要,设计一个边界条件可控的、稳定的液体燃料层流部分预混燃烧器.选取正庚烷与甲苯混合后的液体燃料作为验证火焰的实验燃料.火焰直接成像、双色法测温、激光诊断测量结果均与类似的部分预混火焰测量结果相近,表明了所设计燃烧器火焰的可靠性.激光诊断的研究结果清晰地表明了火焰在不同高度下碳烟及其前驱物多环芳香烃(PAHs)的生成氧化历程,为验证和发展液体燃料浓预混条件下的碳烟生成氧化机理提供数据支撑.

低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究

针对低甲烷浓度煤层气的特点,设计了150kW部分预混式旋流燃烧器,实验研究了燃烧器结构对低甲烷浓度煤层气燃烧的影响,考察了低甲烷浓度煤层气在燃烧器内的速度分布特性、旋流强度及甲烷浓度变化对温度分布的影响规律。结果表明：加装钝体结构的旋流燃烧器在燃用甲烷体积分数为20%的煤层气时,火焰长度降低,射流刚性增强,燃烧高效稳定;Z轴的逆轴向速度梯度范围随着直旋配风比的增加逐渐增大,射流刚性提高,中心回流区域变大;R轴的逆轴向速度梯度范围随着距离燃烧器喷口距离的增加逐渐缩小,回流区域变小,卷吸高温烟气的能力下降,不利于高效稳定燃烧;燃烧器喷口中心处的旋流强度随热负荷的增加而逐渐增大;当热负荷增加到50%以后,旋流强度随过量空气系数的增大而小幅度波动;当煤层气中甲烷体积分数为20%~30%时,随着甲烷浓度的增加,燃烧器出口的火焰形状呈现出变短变窄的趋势,燃烧稳定性提高,出口温度不超过1 000K,可以有效避免喷口被烧坏。

柴油机部分预混合燃烧与排放特性的模拟与试验

在一台6缸重型增压柴油机上,通过单次喷射策略结合EGR技术实现部分预混合燃烧(PPC)方式.基于Level-set的湍流火焰传播模型结合简化的化学反应机理对这种燃烧模式的燃烧与排放生成过程进行计算分析.依据试验和模拟结果分析PPC模式对燃烧放热、NOx、UHC和PM排放的影响.结果表明:早喷和晚喷PPC模式都具有两阶段的放热,在燃烧期内预混燃烧比例显著高于常规燃烧模式,但晚喷模式下还存在部分扩散燃烧;采用PPC燃烧方式可减少NOx和PM排放,但晚喷PPC模式下HC排放会增加;PPC模式下核心组分的变化过程和常规喷油模式有很大的不同,在PPC模式下酮化过氧氢在第一阶段着火过程中起到关键作用,第一阶段着火过程中积累的大量H2O2使得第二阶段着火过程中放热率峰值很高;在喷束下游生成OH的位置会生成大量NOx,而碳烟是在燃烧室壁面附近的富燃料区域形成,晚喷PPC模式下的HC排放过高主要是由于贫燃料区域不能迅速进行第二阶段着火引起的.

重型柴油机部分预混压燃模式的燃烧与排放特性

在一台6缸涡轮增压重型柴油机上,基于单次喷射方式,通过调节喷油正时,结合EGR技术,实现了柴油机的部分预混压燃,分析了其燃烧放热特性随喷油正时、EGR、喷射压力和负荷的变化,研究了影响控制混合期与滞燃期的因素及其影响规律.结果表明:部分预混压燃(PPCI)燃烧模式兼具预混燃烧和低温燃烧的特征,是碳烟和NOx同时降低的重要因素,但低温燃烧和稀薄的混合气易于导致燃烧不完全,喷油推迟较晚时引起HC和CO排放显著增加,并引起燃油消耗率增大.这种PPCI模式下,提高喷射压力对NOx和碳烟排放的影响作用不明显,单纯增大喷油压力并不能改善PPCI模式的燃油经济性.当负荷提高至50%以上时,对于早喷预混模式已呈现扩散燃烧阶段,导致NOx和碳烟排放均增大.

燃料敏感性对部分预混燃烧影响的试验研究

配制辛烷值相同而敏感性不同的高辛烷值燃料,在一台改造的单缸试验发动机上进行了燃料敏感性对部分预混燃烧的燃烧和排放特性影响的研究。采用的不同敏感性的燃料为配制的甲苯参比燃料和市售92#汽油。研究结果表明:燃料敏感性越高,滞燃期越长,油气混合越充分,预混燃烧比例越大,NOx排放越高。燃烧重心(CA50)随着敏感性的增高先推迟后提前,敏感性为2的燃料CA50最迟。燃料敏感性越低,压升率越低,而市售92#汽油挥发性较强,预混比例较大,最大压升率最高;敏感性为2的燃料在上止点附近放热较多,指示热效率较高;汽油及敏感性为5和8的燃料的碳烟排放比其他燃料低。

部分预混火焰撞壁的温度及甲醛分布测量

结合麦肯纳燃烧器,设计了液体燃料部分预混火焰近壁面燃烧的光学诊断系统,利用双色法和激光诱导荧光法,研究了壁面高度及壁面温度对于近壁面区域火焰温度场和甲醛分布的影响.结果表明,随着壁面高度增加或者壁面温度升高,火焰温度升高,高温区域面积增大并从火焰外侧向中心轴附近转移.甲醛LIF图像上的信号与温度分布中的低温区域基本吻合,随着壁面高度的增加,甲醛峰值下降,而火焰整体的甲醛分布范围变广.当壁面温度升高时,甲醛信号变弱,整体的分布范围也变小.

不同醇类燃料对柴油替代物部分预混火焰多环芳烃及碳烟演化的影响

针对柴油替代燃料TRF20(80%正庚烷+20%甲苯体积比混合物),分别掺混甲/乙/丁醇燃料,在燃烧器上建立部分预混层流火焰.采用平面激光诱导荧光和双色激光诱导炽光对火焰中生成的碳烟前驱物多环芳烃以及碳烟进行光学诊断研究,得到了多环芳烃的荧光强度、分布以及碳烟的体积分数、粒径,分析了稀释甲苯对多环芳烃生成影响以及醇类结构对碳烟生成的影响.结果表明:柴油替代燃料TRF20中分别掺混甲/乙/丁醇后,从混合燃料的成分角度讲,甲苯含量的稀释是碳烟前驱物多环芳烃以及碳烟降低的最主要原因,从掺混的三种醇类分子结构的角度讲,柴油替代燃料TRF20中掺混正丁醇减少碳烟前驱物多环芳烃和碳烟体积分数的效果最佳.掺混丁醇后碳烟粒径最小,其次是掺混乙醇,掺混甲醇的粒径最大且只是略低于TRF20燃料.

乙烯超声速燃烧部分预混火焰面模型数值研究

湍流涡结构的作用导致以扩散形式喷射燃料的超声速燃烧过程通常以部分预混的方式进行,为了使火焰面模型对这一燃烧过程描述的更准确,在模型中对扩散燃烧和预混燃烧状态均需要予以合理考虑。基于低Ma条件多区域火焰面模型(MRF)思想,发展得到了适用于超声速条件的部分预混火焰面模型。以碳氢燃料超声速双燃烧室结构作为验证算例,采用k-ωSST湍流模型、部分预混火焰面模型和乙烯(C2H4)的28组分72步化学反应机理对超声速湍流燃烧流场进行了数值研究。计算结果与实验数据吻合良好,验证了模型的准确性。加权系数计算结果表明,在中心剪切层和下壁面附近区域流场主要由预混燃烧控制,而其他大部分区域则由扩散燃烧控制。

天然气部分预混燃烧的火焰离焰特性实验

天然气组分变化时,末端用户(如民用大气式燃烧器)易出现火焰离焰等燃烧不稳定情况,研究部分预混燃烧器的火焰离焰燃烧特性,对于确保天然气的互换性非常重要。为此,以市场上常见的燃气灶设计参数统计结果为依据,实验设计了一台基准燃烧器,以测试不同天然气组分下的火焰离焰燃烧特性,着重讨论火焰离焰与燃烧器头部温度的关系以及天然气组分对火焰离焰特性的影响。预混燃烧火焰发生离焰时,头部温度与火焰离焰程度互为因果关系;火焰离焰极限值曲线仅由燃烧器结构和气源特性决定,当气源特性一定时,在燃烧器上的火焰离焰极限值曲线即已确定,不存在同一燃烧器上同一气源的不同温度火焰离焰极限值曲线;测试预混燃烧器火焰离焰极限值曲线时,必须保证头部温度恒定,但不需要保证每次测试都在同一温度情况下进行。结论认为:贫组分天然气较之富组分天然气气源更易出现火焰离焰,且出现火焰离焰时头部温度更低;贫气置换富气时,会导致严重的火焰离焰互换问题。

天然气部分预混燃烧一次空气系数与燃烧器头部温度关系的模拟仿真与实验研究

针对部分预混燃烧过程一次空气系数变化的研究,很少涉及燃烧器头部温度变化的影响,利用ICEM CFD对部分预混燃烧器进行建模,通过模拟仿真计算不同天然气组分在不同燃烧器温度情况对引射一次空气系数的影响,并结合实验测试,对比模拟仿真结果和实验测试结果,明确燃烧器头部温度与部分预混引射一次空气系数之间的变化关系。模拟结果符合随着天然气沃泊指数的增加大气式燃烧器引射一次空气系数降低的变化规律,一次空气系数实验测试值与模拟值偏差在±0.02之内。当燃气发生置换时,一次空气系数的变化不仅与沃泊指数成反比,同时也受燃烧器头部温度的影响,应在现有一次空气系数计算公式基础上对其进行温度修正。当贫气置换富气时,建议对一次空气系数变化的温度修正系数k取值1.1;反之,当富气置换贫气时,建议温度修正系数k取值0.9;气质相近的两两置换,无需进行温度修正。

配风方式对部分预混燃烧系统燃烧振荡的影响

部分预混燃烧系统是燃气热水器的常用燃烧系统,研究这种燃烧系统中配风方式和燃烧工况的关系十分重要。通过搭建实验台,研究了一个具有三次风的部分预混燃烧系统在不同过量空气系数下的燃烧振荡区域。发现该系统存在一个介于两正常工作区域之间的燃烧振荡区域,该区域的界限随着配风方式的变化发生偏移,减小一次风量时其正常工作范围扩大。通过分析,认为其燃烧振荡范围与一次过量空气系数值有直接关系,该范围具有一个上限,对应一次过量空气系数为0.80～0.95;具有一个下限,一次过量空气系数为0.40～0.50,此范围内发生燃烧振荡的概率较大。

三维直接数值模拟部分预混发动机内的燃烧过程

采用三维直接数值模拟方法研究了一个类似于部分预混燃烧(PPC)发动机条件下高辛烷值燃料PRF70的着火过程。文章采用了简化的PRF化学动力学机理,包含33个组分和38步基元反应。计算中根据发动机的几何尺寸和真实运行工况加入了气缸内压缩/膨胀的效果,并考虑了燃料的两次喷射,其中第一次喷射形成了较均匀的混合气,第二次燃料喷射增加了混合物分层。研究发现,PPC的燃烧过程非常复杂,是均质压燃、预混燃烧和扩散燃烧三种主要燃烧模式的结合。在两次燃料喷射之间的区域为近化学计量比燃烧,是氮氧化物的生成区;而在化学计量比(φ)大于2的区域,混合不充分聚集了大量未燃碳氢和CO。文章使用Marching cube算法捕捉了三维火焰锋面随时间的变化。最后,使用反应锋面上高斯曲率(k_g)与平均曲率(k_m)的联合概率密度函数(PDF)以及平均曲率随时间变化的概率密度函数,揭示了球形火焰锋面和马鞍形火焰锋面的存在,前者占主要地位,并且随着燃烧的进行,负曲率增加,主要是因为中心的燃料浓区在逐渐消耗。

部分预混改善柴油机碳烟排放研究初探

通过测量对置射流扩散火焰中开始形成碳核时的临界气动变形率Ｋｐ，对丙烷中加入空气、氮气和氧气时其扩散火焰中碳烟生成的影响进行了实验研究．介绍了利用氩气和氮气的比热差异，通过适当的火焰温度调节方法，将丙烷中加入氮气和氧气时对碳烟成核过程所起的各种作用进行了分解，并由此得出结论：适量氧气在扩散火焰中具有遏制碳烟成核的作用．加上空气中氮气的稀释作用。

部分预混对扩散火焰中碳烟成核的影响

通过测量扩散火焰中开始形成碳核时的临界气动变形率 Kp,对丙烷中加入空气、氮气和氧气时的碳烟生成进行了实验研究 ,介绍了利用碳烟颗粒和 PAH对偏振激光的散射性能差异测量 Kp 的方法 ;通过比较不同条件下的 Kp,得出结论 :部分预燃具有遏制扩散燃烧中碳烟成核的作用 ,有利于减少碳烟的生成。

部分预混对向流火焰拉伸变形研究

本文为了研究部分预混当量比φ_p对对向流火焰结构的影响规律、探究对向流火焰中心拉伸形变的原因,分别构建了圆形对向流火焰和线形对向流火焰测试系统,并进行了与之对应的仿真工作。研究显示,部分预混对向流火焰由动力火焰和扩散火焰两部分组成,呈现典型的双火焰结构;随着φ_p的降低,动力火焰与扩散火焰之间的间距逐渐增加。在较低的φ_p下,圆形对向流火焰存在明显的拉伸变形现象,动力火焰中轴线附近区域向预混可燃气来流方向显著凸起。火焰中心区域的热量堆积导致径向温度分布不均、局部火焰传播速度与来流速度的不均衡,是造成动力火焰拉伸凸出的根本原因。相对而言,线形对向流火焰通过强化Y轴散热消除了动力火焰中心区域的热量堆积现象,故火焰拉伸变形现象并不明显。

燃料敏感性对内燃机部分预混燃烧(PPC)光谱特性的影响研究

在一台光学发动机上,利用火焰高速成像技术和自发光光谱分析法,研究了燃料敏感性(S)为0和6时对发动机缸内火焰发展和燃烧发光光谱的影响。试验过程中,通过改变喷油时刻(SOI=-25,-15和-5°CA ATDC)使燃烧模式从部分预混燃烧过渡到传统柴油燃烧模式。通过使用正庚烷、异辛烷、乙醇混合燃料来改变燃料敏感性。结果表明,在PPC模式下(-25°CA ATDC),火焰发展过程是从近壁面区域开始着火,而后向燃烧室中心发展,即存在类似火焰传播过程,同时在燃烧室下部未燃区域也形成新的着火自燃点。敏感性对燃烧相位影响较大,对缸内燃烧火焰发展历程影响较小;高敏感性燃料OH和CH带状光谱出现的时刻推迟,表明高敏感性燃料高温反应过程推迟,且光谱强度更低,表明碳烟辐射强度减弱。在PPC到CDC之间的过渡区域(-15°CA ATDC),燃烧火焰发光更亮,燃烧反应速率比-25°CA ATDC时刻的反应速率更快。高、低敏感性燃料对缸压放热率的影响规律与-25°CA ATDC相近,此时的燃烧反应更剧烈,放热率更高,碳烟出现时刻更早。该喷油时刻下的光谱强度高于PPC模式下的光谱强度,说明此时的CO氧化反应与碳烟辐射更强。在CDC模式下(-5°CA ATDC),由于使用的燃料活性较低,燃烧放热时刻过于推迟,放热量很小,缸内燃烧压力低,因此燃料敏感性对缸压和放热率的影响不明显,但从燃烧着火图像中可以看到高敏感性燃料的火焰出现时刻较低敏感性燃料推迟。低敏感性燃料的燃烧初期蓝色火焰首先出现在燃烧室中心,着火火焰出现时刻更早,之后蓝色火焰从中心向周围扩散,呈现火焰传播为主导的燃烧过程;燃烧后期,局部混合气过浓区导致亮黄色火焰面积逐渐增大并向周围扩散。高敏感性燃料的火焰发展趋势与低敏感性燃料类似,黄色火焰的亮度与面积更小。尽管高、低敏感性燃料的OH和CH带状光谱的出现时间相近,但高敏感性燃料的光谱强度仍更低。综合分析,火焰发展结构与自发光光谱特征主要受喷油时刻的影响,燃料的敏感性主要影响着火时刻和火焰自发光光谱强度,且高敏感性燃料的光谱强度更低。

部分预混层流火焰结构的数值研究

针对部分预混层流火焰,在分析了常见火焰面方程不足的基础上,使用了一套详细考虑了组分不同输运系数的火焰面方程对其进行数值模拟.模拟结果与物理空间求解结果间的比较表明,此套方程能够在保证相容性的同时获得相当好的模拟精确度.此外,在火焰面方程中采用不同的标量耗散率模型对部分预混火焰进行了数值计算,结果显示标量耗散率模型的精确程度对于模拟结果有着重要影响.进一步利用火焰面方程数值研究了部分预混层流火焰结构对于标量耗散率变化的响应,捕捉到其在低标量耗散率下区别于非预混火焰的双火焰结构的存在,并讨论了此现象产生的原因.