湍流非预混燃烧数值模拟的代数二阶矩模型

湍流燃烧数值模拟是研究燃烧的一种重要手段,采用的湍流燃烧模型是否恰当直接影响最终结果的准确性。在湍流燃烧中,化学反应速率不仅取决于当地的组分浓度和温度,而且与组分的湍流脉动也有密切关系。通过对湍流燃烧模型进行探讨,发现代数二阶矩模型(ASOM)能综合考虑湍流和反应动力学因素的影响,而且比其他复杂的模型简单。研究将组分混合速率对化学反应速率的影响在一个修正的代数二阶矩模型(RASOM)中进行考虑,更准确地计算出化学反应速率。为了验证模型的准确性,RASOM模型被应用到Sandia实验室测量的甲烷-空气非预混燃烧(Flame-D)的数值模拟中。模拟得到的结果与实验结果以及修正的涡破碎模型(EBU-A)和原ASOM模型的结果进行了对比,发现RASOM模型的效果较好。

基于不同耦合模型的合成气非预混射流燃烧特性模拟

基于不同的化学反应机理、湍流模型和燃烧模型,采用8组不同耦合模型对CO/H2/N2合成气非预混射流火焰进行模拟计算,并与实验值进行比较,分析了不同耦合模型计算结果的准确性。结果表明:耦合模型4(37步14组分化学反应机理动力学模型PdM+RNG k-ε湍流模型+稳态层流小火焰燃烧模型SLF)和耦合模型8(化学反应机理GRI-Mech 3.0模型+标准k-ε湍流模型+EDC燃烧模型)对该火焰的模拟结果更为准确;采用SLF的耦合模型比采用EDC的耦合模型更能准确模拟火焰温度和主要组分的径向分布;采用耦合模型4能够获得该合成气非预混射流火焰的最佳模拟计算结果。

燃烧模型对甲烷/空气非预混数值模拟的影响

对甲烷-空气的钝体燃烧进行了数值模拟,考虑了流体的湍流流动和扩散火焰燃烧的相互作用.模拟分别采用化学平衡模型和GRI-Mech 3.0反应机理的非预混燃烧稳定层流小火焰模型.通过与文献实验数据的比较,分析了上述两种模型的模拟结果和Mobini等人的条件矩平衡封闭模型的模拟结果的准确性.研究表明,上述3种燃烧模型的计算结果与实验结果均存在不同程度的误差,说明现有的燃烧模型尚需进一步完善.

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.

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.

同轴射流燃烧室非预混湍流燃烧流场特性大涡模拟研究

为深入研究带突扩与回流的同轴剪切射流模型燃烧室流场结构与燃烧特性,采用单步快速化学反应、火焰面与反应进度变量三种燃烧模型结合动态亚网格模型在自有CFD平台上对甲烷-空气非预混燃烧流场进行了大涡模拟。计算检验了流场时空尺度及网格和时间步长设置,对流场0~2s内启动并发展进入统计定常状态的非定常流动过程进行了完整模拟。燃烧室内多处监测点湍动能谱统计结果表明,轴向速度在混合剪切层内的脉动存在从约1200Hz开始的多个特征频率序列,且随着测点位置向下游移动,其对应的特征峰从高频到低频逐渐衰减消失。流向多个截面上时间平均的混合分数及温度分布结果表明,反应进度变量模型能够模拟出该流场特有的抬举火焰,与实验数据吻合程度显著优于其余两种模型,即对于该类型强剪切非预混反应流,以燃烧产物质量分数替代采用梯度粘性输运模化的混合分数耗散率进行计算更为合适。

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。

矩形弯管中非预混湍流燃烧的数值模拟

对C3H8/空气在弯管燃烧器中的非预混湍流燃烧进行数值模拟,湍流模型采用RNGk-ε模型,燃烧模型采用守恒标量的概率密度函数(probability density function,PDF)模型,辐射模型为离散坐标(discrete ordinate,DO)模型,压力和速度项的耦合采用SIMPLE算法.在燃料丙烷入口速度不变的情况下,改变空气入口的速度,进行5种工况的模拟.模拟结果表明:随着入口空气速度的增大,燃料和氧化剂分子混合更均匀,燃烧速率升高,燃料浓度迅速减小,温度场高温区提前,火焰空间速度场整体速度增加,湍流强度增强,径向压力梯度增大.由此,可以通过控制空气入口的速度,控制火焰空间速度场速度的大小以及燃烧进行的程度.考虑到提高燃烧效率的问题,在保证燃料充分燃烧的情况下,尽量减少空气入口的速度,以达到工业目的.

非预混燃烧大涡模拟的代数二阶矩模型

一种改进的代数二阶矩燃烧模型被应用在Flame-D的大涡模拟中。代数二阶矩模型能够将化学反应速率的脉动项进行模拟,更准确地计算化学反应速率。在实际燃烧过程中,化学反应速率不仅与当地的温度以及组分浓度等相关,更与反应物的混合速率有密切的关系。研究考虑了亚网格尺度内混合速率对化学反应速率的影响,提出了改进的代数二阶矩模型。通过与相同模拟条件下的涡耗散概念模型的模拟结果以及实验结果进行对比,改进的代数二阶矩模型的准确性得到了验证,同时亚网格化学反应速率的模拟对总化学反应速率的影响也得到了研究。

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。

湍流扩散火焰的非稳态火焰面模拟

采用稳态的和非稳态的火焰面模型同时对一个湍流甲烷射流扩散火焰进行了数值模拟,比较了两者对湍流平均火焰结构、活性自由基和污染物(氮氧化物)排放的模拟效果。速度场采用κ-ε模型计算,守恒标量混合物分数的分布通过其概率密度函数(PDF)输运方程的求解得到。稳态的火焰面结构由查询火焰面数据库得到,而非稳态的火焰面结构由火焰面方程和流场方程耦合求解来计算。采用详细的GRI—Mech 3.0机理描述甲烷的氧化和氮氧化物的形成。数值模拟结果和实验数据作了广泛的对比,验证了火焰面模型对湍流扩散燃烧的定量模拟能力。

65t/h高低差速循环流化床锅炉燃烧特性模拟

基于商业计算流体力学软件Fluent,采用非预混燃烧模型对一台65t/h高低差速循环流化床锅炉炉内燃烧特性进行三维稳态模拟,并对高、低速床内温度和组分分布进行分析。通过温度场和差速循环流化床特有的内循环特性验证所选模型的有效性,根据炉内温度、CO_2浓度和O_2浓度的分布分析差速循环流化床的燃烧特性。结果表明:高低差速循环流化床实现了不同粒径颗粒的分床燃烧,大粒径颗粒在高速床燃烧,小粒径颗粒进入低速床燃烧。燃料燃烧放出的热量一部分由烟气带走,大部分由颗粒的内循环过程被带入左右低速床,使燃料继续燃烧并传递给埋管受热面,换热后的物料通过回流孔回到高速床。

无引气式涡轮级间燃烧室设计与数值研究

利用流体计算软件模拟涡轮级间燃烧室(ITB)三维两相燃烧流场。对比分析无引气式ITB与传统ITB性能及流场分布。采用Realizablek-ε模型模拟湍流黏性,离散相模型追踪油珠运动轨迹,非预混平衡化学反应模型模拟燃烧过程。计算结果表明:无引气式ITB除总压损失比传统ITB的稍大外,其它指标均与传统ITB的相当;但由于该方案不需要额外引气,故提升了ITB发动机性能及应用价值。

隧道火灾烟气中CO的PDF数值模拟研究

结合隧道火灾发生发展的特点及火灾烟气的反应机理,提出了一种用PDF模型进行非预混燃烧模拟的方法,介绍了PDF非预混模型在隧道火灾烟气湍流反应中的应用,分析了烟气对人类的毒性作用。

O_2/CO_2条件下煤粉燃烧特性数值模拟研究

O_2/CO_2燃烧技术是燃烧后捕集和存储CO2的有效方法之一,研究CO2氛围的煤粉燃烧特性对于明确煤粉着火特性和锅炉温度场分布至关重要。本文运用FLUENT软件非预混燃烧模型对O_2/CO_2气氛下二维通道内煤粉燃烧过程进行数值模拟,针对两种典型Ⅲ类烟煤抚顺/水城煤种进行模拟,研究不同氧分压下煤粉燃烧的温度场分布,结果表明:在氧分压2%到20%范围内,随着氧分压的增加,由于有更多的O_2与煤粉反应,温度场分布高温区域有逐渐减小的趋势。在30%氧分压下,温度场分布高温区域变大,这主要是火焰温度过高,辐射区域较大的缘故。

基于大涡模拟的湍流非预混燃烧混合分数概率密度函数

混合分数概率密度函数(probability density function,PDF)反映了湍流对燃料和氧化剂混合过程的影响,在湍流非预混燃烧的理论研究和数值模拟中有非常重要的作用。该文基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)对非预混火焰中的混合分数PDF进行了研究。利用LES预测的SandiaFlame D的速度和温度的均值和均方根分布与实验结果符合很好,瞬态温度场显示了合理的湍流火焰形态。混合分数PDF在反应区为钟形分布,在贫燃侧和富燃侧为钟形分布或单调形分布,取决于当地流场状态。对简化PDF模型的研究表明:β函数模型对钟形PDF和单调形PDF的预测效果都很好;截尾Gauss函数模型只能较好地预测钟形分布PDF;多点δ函数模型的预测能力与截尾Gauss函数模型的预测能力类似;双δ函数模型的预测结果偏差较大。

煤矿平巷火灾数值模拟及其特征参数研究

为了研究火灾产生的烟气在巷道中的运移和分布规律,采用单混合分数PDF非预混燃烧模型进行了三维瞬态数值模拟,分析研究了煤矿水平巷道发生火灾时期的温度场和烟气逆流层的变化规律。结果表明:火源强度一定时,通过对火灾过程中0.5、1.0、1.5、1.8、2.0、2.5 m/s等不同进风速度的模型求解,得出存在阻止高温烟气向火源点上风侧传播和运移的极限风速,模型中的极限风速V_(min)=2.0~2.5 m/s;并推出了逆流层关于风流速度的函数表达式。风流速度一定时,通过对火灾过程中5.24、10.48、15.72、20.96 MW等不同火源强度的模型求解,得出不同火源强度,巷道内温度场的瞬态变化规律;并推算出逆流层关于火源强度的函数表达式。

双环预混旋流低污染燃烧室数值研究

利用Fluent软件计算双环预混旋流(TAPS)低污染燃烧室三维两相喷雾燃烧流场,研究两种燃烧室结构和两种喷油方式对流场与燃烧性能的影响,采用标准k-ε模型模拟湍流黏性,离散相模型追踪油珠运动轨迹,燃烧模型采用非预混平衡化学反应模型.计算结果表明:在进口条件不变情况下,改进燃烧室结构和喷油方式,能提高出口温度,同时可大幅降低出口污染物排放;在相同试验条件下,TAPS低污染燃烧室燃烧性能优于目前某在研发动机模型燃烧室.

温度对NO_x生成影响的数值模拟

煤粉的高效、低污染燃烧一直都是国际社会共同关注的焦点问题。采用非预混燃烧模型,模拟煤粉在炉膛内燃烧过程氮氧化物(NOx)的生成,分析比较了燃烧温度对热力型NOx和燃料型NOx的生成速率、炉内的组分以及煤粉颗粒在炉膛中的停留时间等的影响,并对NOx控制技术研究进行了分析与归纳,并得出结论。随着燃烧温度增高,热力型NOx成指数关系增长,燃料型NOx的生成速率是降低的,还原速率是升高的。

旋流非预混火焰长度的实验研究与理论预测

在旋流非预混燃烧条件下,测量了变燃料量和变燃烧室压力工况下的火焰长度。采用基于直喷射流火焰建立的Fr模型、Fr_f模型及无量纲热释放率Q~*模型对火焰长度进行预测,将预测结果进行旋流修正后与实验结果进行比较。结果表明:随着燃料量的增大,火焰长度增大,这是由于形成火焰表面所需的空气卷吸增强所致;而随着压力的增大,火焰长度减小。3个模型的旋流修正结果均准确地预测了火焰长度的变化趋势,其预测值均高于实验值,预测值分别是实验值的1.2倍、1.7倍及1.3倍。基于3种模型,将实验数据进行拟合,得到新的关联式,提出了一种基于雷诺数的计算方法。