基于试验设计方法对氢燃料CIVB回火的多参数数值分析

为了能够全面考察多因素,包括质量流量、燃烧室结构(旋流器结构和预混段结构)、温度和燃料组分等对燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,采用试验设计(DOE)方法进行多参数数值分析。对于CIVB回火的模拟采用二维轴对称模型,并补充用户自定义函数(UDF)来模拟旋流器的存在。结果表明:因素对CIVB回火影响的重要程度排序依次为:旋流器结构>预混段结构>温度>燃料组分>质量流量;其中,旋流器结构、预混段结构、温度和燃料组分对于CIVB回火具有高度显著的影响,而质量流量以及任意两因素间的交互作用可以忽略;各因素主要通过改变流场和火焰特性作用于CIVB回火。

旋流强度对甲烷/空气预混火焰CIVB回火的影响

为了研究旋流强度对甲烷/空气预混火焰燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,以便深入理解CIVB回火的机理进而抑制回火,采用二维轴对称模型,并使用用户自定义函数(UDF)修改动量守恒方程来模拟旋流,得到了甲烷/空气预混火焰在不同旋流数下的CIVB回火极限,通过负切向涡量和流动不稳定理论分析了回火过程中的涡破碎。结果表明,对于无中心体旋流预混喷嘴中甲烷/空气火焰的CIVB回火,旋流数从0.409增加到0.416,先促进回火后抑制回火;对于同一个喷嘴结构,不同旋流数下发生CIVB回火时流场满足相同的涡破碎条件,即负切向涡量最大值约为5.5×10~4s^(-1),从宏观尺度分析其实质是流动不稳定扰动因子相同。

旋流强度对氢气预混火焰CIVB回火的影响

为了研究旋流强度对氢气预混火焰燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,以便深入理解氢气的CIVB回火特点进而减弱回火,首先采用二维轴对称模型,并使用用户自定义函数(UDF)修改动量守恒方程来模拟旋流,得到了不同旋流数下氢气预混火焰的CIVB回火极限,然后从旋流强度对流场特性和火焰特性两方面的影响进行深入分析。结果表明:对于无中心体旋流预混喷嘴中氢气火焰的CIVB回火,旋流数从0.409增加到0.432,从流场条件分析,旋流数增加使负切向涡量增加,对回火起促进作用;从火焰条件分析,旋流数增加使氢气湍流火焰速度先增加后减小,最后趋于猝熄,对回火先起促进作用后起抑制作用。流场和火焰条件共同决定了旋流数对氢气预混火焰CIVB回火的影响趋势,即旋流数增加先促进回火后抑制回火。

预混段结构对氢燃料旋流预混燃烧诱导涡破碎回火极限影响的数值研究

燃烧诱导涡破碎(combustion induced vortex breakdown,CIVB)回火是氢燃料旋流预混燃烧可靠运行所面临的重要问题之一。文中通过数值模拟分析了预混段长度L和预混段出口水力直径D对CIVB回火极限的影响。数值"试验"设计方案的选取借鉴试验设计(DOE)方法,而结果处理则采用方差分析方法。得到如下结论:L和D对回火临界当量比?cri和熄火因子Cquen都有显著影响,其中?cri对应LD2,Cquen对应LD;预混段结构通过改变混合物在预混段内的停留时间作用于CIVB回火极限,可以通过减小L或D改善CIVB回火的发生;此外,文中证实了回火极限与预混段几何结构间函数关系的存在,拓宽了已有时间尺度模型的应用范围。

预混段结构对旋流预混氢火焰回火形式影响的数值研究

为了区分不同类型的回火形式,以便可以对不同类型的回火施加不同的控制方法,引入试验设计(DOE)方法和方差分析方法数值分析了预混段长度L和预混段出口处水力直径D对回火形式和回火极限的影响。主要得到如下结论:L和D对回火极限均有显著影响,通过减少混合物在预混段内的停留时间可以同时改善燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火和边界层回火;L/D存在两个临界值,当L/D≤(L/D)cri1时发生边界层回火,当L/D>(L/D)cri2时发生CIVB回火,当(L/D)cri1<L/D≤(L/D)cri2时可能只发生CIVB回火或两种回火形式共存;L/D通过改变CIVB回火发生所需的临界切向涡量值而作用于CIVB回火,L/D值越大,诱发CIVB回火所需的临界切向涡量值越小,越容易发生CIVB回火。