湍流燃烧模型对直喷式柴油机火焰结构和排放物预测的影响研究

研究了不同湍流燃烧模型(EBU、CTC和PaSR模型)对直喷式柴油机燃烧过程中火焰结构和排放物生成的影响。分析了缸内平均量(放热率、缸内平均温度、NO和soot)变化情况和OH、NO及soot分布,并与试验结果进行了对比分析。研究结果表明:不同燃烧模型虽然能得到相近的缸内平均量结果,但预测得到的缸内OH、NOs、oot分布和温度分布情况存在一定差异;其中以EBU模型的预测结果与试验偏离最大;PaSR模型能较准确预测缸内变量微观分布情况和火焰脱离喷孔的距离,其预测得到的火焰结构与Dec1997年提出的概念模型一致。

大涡模拟燃烧模型在扩散火焰中的对比研究

为研究不同大涡模拟湍流燃烧模型的性能,对比分析了不同大涡模拟(large eddy simulation,LES)燃烧模型在扩散火焰模拟中的计算性能,分别采用火焰面/反应进度变量(flamelet/progress variable,FPV),部分搅拌反应(partially stirred reactor,Pa SR)和联合标量概率密度函数(transport joint possibility density function,PDF)燃烧模型对Sandia实验室的Flame D进行了数值模拟分析。计算结果与实验数据的对比表明:3种燃烧模型都可以较好地模拟扩散火焰。基于欧拉随机场的输运型PDF模型计算化学反应可以得到更加准确的结果,尤其是对中间组分OH和污染物NO的预测,但是计算量巨大;Pa SR的计算速度和计算精度居中;FPV的方法在计算量上大大缩减,在工程应用中具有很大价值。

混合延迟对湍流燃烧过程NO生成路径的影响

通过部分搅拌反应器(PaSR)模型数值模拟的方法,以甲烷/空气预混火焰为对象,在燃汽轮机燃烧室及热风炉等设备的典型工况下,研究了湍流-化学反应相互作用中的混合延迟效应对燃烧过程NO生成的影响规律,发现Fenimore型NO生成路径受混合延迟效应影响最剧烈,而NNH型路径对该效应不敏感.同时本文针对燃用掺氢甲烷设备的污染排放问题,对其NO生成特性展开讨论,结果发现在相同停留时间和初始温度下,氢气的加入会提高燃烧温度,热力型NO增加,同时热力型NO路径对混合延迟效应的敏感性增强,Fenimore型NO生成对延迟效应的敏感性减弱.同时,氢气的加入能够拓展可燃极限,使火焰在更低的温度下维持燃烧.在临近熄灭时,氢气的加入显著地增强了热力型NO对混合延迟的敏感性.

支板增强混合超声速燃烧的大涡模拟研究

基于开放源代码软件Open FOAM,建立了三维可压缩反应流动大涡模拟求解器,采用了Pa SR亚格子燃烧模型和27步的氢气-空气反应动力学机理,开展了支板增强混合的超声速燃烧大涡模拟研究,对比了滑移和粘性2种不同壁面边界条件的影响。计算结果表明,不同截面上的平均轴向速度和温度与实验数据吻合良好,较好捕捉了超声速扩散燃烧的火焰空间发展过程。详细讨论了剪切层增长、发展和破碎对燃烧过程的影响,揭示了支板后旋涡脱落与燃烧过程的耦合作用,区分了支板下游亚声速区和超声速区内不同的掺混模式。利用化学爆炸模式分析方法,获取了爆炸化学过程及其特征时间尺度,得到了详细的火焰结构及其稳定机制。