氢体积分数对甲烷-氢贫燃预混钝体火焰燃烧不稳定性影响

通过扬声器创造可调频率和振幅的正弦波声场环境,以甲烷-氢混合气贫燃预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在不同声场频率和速度波动(声场振幅)下氢体积分数的变化(0、10%、20%)对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明:随着氢体积分数的提升,在声场频率90～105 Hz区间时,火焰传递函数幅值变小,涡对火焰的影响减弱,火焰稳定性增强,而在115～170 Hz区间时,传递函数幅值增加,火焰长度变短,混合气火焰稳定性差;随着速度波动增加,在160 Hz声作用下甲烷火焰与涡的相互作用程度增强,而随着氢体积分数的提升,涡结构对火焰流场的拉伸和卷吸作用加强,燃烧热释放波动变大,火焰传递函数幅值增加,火焰抵抗外界扰动能力增强。该实验结果可为掌握甲烷-氢混合气燃烧不稳定性机理,发展燃烧不稳定性的主动控制技术提供参考。

不同速度波动下氢含量变化对氢气-甲烷钝体火焰燃烧不稳定性的影响

针对燃气轮机贫燃预混条件下容易产生燃烧不稳定问题,探究了不同氢含量对氢气-甲烷混合气钝体火焰燃烧不稳定性的影响,用于获得燃烧不稳定性的控制方法。通过像增强相机(ICCD)、光电倍增管(PMT)、卡塞格林定点采集等装置获得火焰图像,并借助火焰传递函数描述火焰对声场的响应特性。由此得到了不同速度波动A下氢气含量变化(0%,10%,20%,40%)对燃烧不稳定性的影响总规律,并分析了氢含量变化对混合气热释放率的作用机理。实验结果表明:随着速度波动A的增加,燃烧不稳定性增强。当A较小时,火焰传递函数幅值|H|下降较快;当A大于0.3之后,|H|的下降趋势趋于平缓,火焰传递函数发生饱和。当A相同时,分别对90Hz和140Hz作用下的火焰研究后得到了相反的结论。氢气含量的增加导致90Hz作用下的火焰传递函数幅值|H|增加;热释放波动的相位与速度波动的相位相同,并且相位差接近0°,燃烧不稳定性减弱;而140Hz声作用下氢气的加入却使得|H|下降,并且相位差远离0°,热释放波动与速度波动的跟随性变差,燃烧不稳定性增强。

燃烧模型对钝体稳燃非预混火焰数值模拟精度的影响

为了研究不同燃烧模型在非预混钝体火焰数值计算中的特点,对Sandia实验室HM1火焰进行了数值分析.采用涡耗散概念(EDC)模型、层流小火焰模型和化学平衡模型耦合2种简化机理进行计算,并分别与实验结果进行比较.结果表明:各燃烧模型均能在实验条件下对燃烧过程中的温度场和组分分布等进行正确预测.在使用的3种模型中,层流小火焰模型预测最为精确,且计算速度较快;EDC模型能正确反映变化趋势,但预测所得温度在对称轴附近略高于实验结果;化学平衡模型在燃烧室后部掺混完全的火焰区模拟精度高.层流小火焰模型在研究钝体非预混火焰过程中在计算精度与计算速度方面具有优越性,为进一步进行钝体非预混火焰数值研究奠定了基础.

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。

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.

钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.

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.

钝体稳定火焰尾流特性的数值模拟研究

为了研究钝体火焰稳定器后方尾流的动力学特性,采用IDDES湍流模型与FGM燃烧模型相结合的方法,针对Volvo钝体稳定预混火焰试验构型的冷态与燃烧工况,进行了非定常数值模拟,对比了冷态与热态流场的差异,并分析了当量比对热态流场尾流特性的影响。将数值模拟结果与实验数据进行对比,吻合良好,说明采用的湍流与燃烧模型能够准确地描述流场特征。研究结果表明,在冷态工况的钝体尾流中,存在K⁃H与BVK两种流动不稳定性;在热态流场中,火焰锋面释热导致的气体膨胀与斜压效应削弱了钝体后方涡量的生成,对剪切层中涡结构的卷起过程起到了稳定作用;来流预混可燃气的当量比越高,尾流中BVK不稳定性受到的抑制作用就越强。

钝体后湍流预混燃烧的PDF模拟

本文采用PDF方法对矩形燃烧室内钝体后的湍流预混火焰进行了数值模拟。脉动速度-频率-标量联合的PDF输运方程用Monte Carlo方法求解,质量、动量和能量的平均值由基于无结构网格的有限体积法求解,压力通过状态方程获得。PDF方程中所需的平均密度、平均速度和压力由有限体积法提供,并将用Monte Carlo方法求出的雷诺应力、化学反应源项和比热比传递给有限体积法。本文对丙烷和空气燃烧的不同简化化学反应机理进行了研究,并与实验结果进行比较,获得满意的结果。

基于二阶矩封闭湍流模型的非预混湍流火焰的数值模拟(英文)

应用二阶矩封闭湍流模型进行了湍流非预混钝体稳定火焰数值模拟的研究.应用LRR IP模型,JM模型,SSG模型以及两个修正后的LRR IP模型等二阶矩封闭湍流模型,进行了钝体稳定火焰数值模拟的研究.对于复杂的钝体稳定火焰,一些模型无法给出令人满意的结果,而且不同模型的结果差异很大.在研究中,湍流燃烧模型采用了化学平衡模型和假设PDF模型.研究结果表明,对于钝体稳定火焰,SSG模型以及两个修正后的LRR IP模型要优于其他几个二阶矩封闭湍流模型.

受限空间预混钝体稳定与抬升火焰激光诊断

在受限空间预混钝体燃烧器中,利用OH-PLIF(平面激光诱导荧光)、PIV(粒子图像测速)和瑞利散射测温技术实验研究了火焰结构、流场和温度场之间的相互影响关系。对比分析了贫燃稳定与富燃抬升状态下甲烷/空气预混火焰的燃烧场特性。实验结果表明:火焰结构、流场和温度场分布之间均存在直接联系。贫燃(当量比为0.8)火焰钝体上方为膨胀的高温低速回流区,利于火焰维持稳定;富燃(当量比为1.2)火焰倾向在受限空间出口与外界空气卷吸后着火,其钝体上方为类似冷态的低速低温回流区,无法点燃混合气,因而形成抬升火焰。分析各场局部分布信息获得火焰场间相互依赖规律:钝体火焰中,高温和低速对应已燃区,低温和高速对应未燃区。

电场对稀燃预混钝体旋流火焰结构的影响

本文研究了开放空间内的直流电场对甲烷稀燃预混钝体旋流火焰结构的影响。施加电场后,火焰面向上游移动,火焰面之间的夹角增大。电场能够提高钝体旋流火焰中上部分的火焰面褶皱率,从而提高湍流火焰速度,但是对根部火焰面结构没有影响。电场对最大火焰面密度没有明显作用,而是通过提高火焰刷厚度提高湍流火焰速度。预混气当量比和燃烧器出口平均速度能够影响电场作用强度。当量比越低,出口平均速度越高,电场的作用越不明显。电场对钝体旋流火焰根部结构影响较弱,且在临近吹熄工况下电场流体动力学作用很弱,对钝体旋流火焰的稀燃吹熄极限没有明显影响。

不同当量比下氢气体积分数对甲烷-氢混合气预混火焰燃烧不稳定性的影响

在可调振幅的正弦波声场作用下,以甲烷-氢混合气预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在声激励下不同当量比(0.8、1.0、1.2)下氢气体积分数的变化(0、10%、20%)对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明:对于当量比为0.8和1.0的预混火焰,氢气的加入使得火焰传递函数幅值增大,热释放波动变大,整体火焰的不稳定性增强;对于当量比为1.2的富燃预混火焰,随着氢气体积分数的增加,火焰传递函数幅值先减小后增加,火焰稳定性较强。

湍流燃烧场中高阶统计矩的PDF模拟

在非结构网格中,发展有限体积法和Monte Carlo法相结合的混合算法来模拟湍流燃烧,求解相互耦合并且相容的平均密度、动量、能量方程组和脉动速度-标量-频率的联合概率密度函数方程,采用稳态层流火焰面模型计算半详细的化学反应机理.对轴对称钝体火焰驻定器后的扩散燃烧进行模拟,比较了速度和标量的平均量和二阶矩的计算结果和实验数据,并研究了速度的扭率(三阶矩)、扁平因子(四阶矩)及边缘概率密度函数的分布.计算表明,高阶统计矩包含的统计误差比低阶统计矩的大,扭率和扁平系数的峰值则集中在剪切层处.

基于动态增厚模型的甲烷/空气预混旋流燃烧回火大涡模拟

基于动态增厚模型大涡模拟,耦合甲烷两步化学反应机理对甲烷预混火焰在德克萨斯大学旋流燃烧器中的回火过程进行模拟研究.分别采用绝热边界条件及考虑热损失边界条件对回火过程进行模拟,对比两种边界条件下的回火热释放及回火速度可以发现,考虑热损失后回火速度更接近实验值.回火过程中火焰面会形成火舌结构,火舌顺着预混段内流场方向作周向运动,同时沿着中心体壁面向上游传播.而当边界层回火占主导时,火舌顶端周向运动不明显.

湍流燃烧反应数值模拟的研究与实现

基于开源计算流体力学平台OpenFOAM和化学动力反应模型库Cantera设计出定常可压缩的湍流燃烧反应解算器,使用该解算器对Sydney钝体驻定火焰HM1进行数值模拟,模拟采用煤气和空气的详细反应机理,并根据计算结果得到燃烧流动组分浓度分布图和温度曲线变化图。通过计算结果与实验数据对比分析表明,模拟效果较好的符合燃烧组分变化的研究要求,这说明设计的解算器对定长可压缩燃烧流动问题有很好的计算仿真效果,体现了其可行性。湍流燃烧流动解算器的设计对于燃烧室性能预估有一定的参考价值。

火焰动力学及其对热声稳定性的影响

火焰动力学特性对燃烧系统热声振荡的准确预测和控制具有重要的意义。该文介绍了作者团队近年来针对不同应用背景下的火焰动力学特性在理论建模和实验验证方面的研究,包括理想非预混射流火焰、钝体预混火焰、值班火焰等组织方式以及多维扰动下的火焰动力学特性。其中:通过Green函数法建立了非预混火焰的分布式火焰传递函数;通过火焰面方程和离散涡模型研究了涡和火焰面的相互作用机理;通过双火焰面模型研究了值班火焰和主火焰之间的相互作用机理;通过非对称火焰模型,研究了火焰对不同方向扰动的响应特征。结果表明,将火焰动力学模型与声学网络模型结合分析,可以得到火焰动力学对燃烧室热声稳定性的影响机制。

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.

模型预混燃烧室线性稳定性分析

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室进行了线性稳定性分析.利用COMSOL Multiphysics软件求解了三维Helmoholtz方程,方程的源项为耦合指数-延迟时间模型.对模型预混燃烧室进行非定常计算得到了化学反应速率的周期性变化,确定了非定常热释放发生在火焰的尖端.由压力和温度信号的相位差得到了当量比为0.72,0.8,0.88,0.97四个工况的延迟时间,分别为0.6,0.3,0.9,0.6ms.线性稳定性分析得到了模型预混燃烧室系统纵向模态频率的实部和虚部,当虚部为负数时表示线性不稳定.结果显示:系统的前5阶纵向模态中,2~4阶是线性不稳定的.其中3阶纵向模态的虚部绝对值最大,它的物理意义是对小扰动的增长率最大.因此在有扰动时,3阶纵向模态最有可能线性失稳,产生燃烧不稳定性现象.