随机场TPDF在非结构网格平台的开发及检验

为实现对燃烧室内部燃烧过程的高精度数值模拟,增强航空发动机燃烧室研究手段,采用开源的非结构网格平台Saturne,开发可以耦合详细化学反应机理,高精度解析湍流燃烧过程的概率密度函数输运方程(TPDF)湍流燃烧模型。采用随机场方法求解TPDF方程,在原有程序基础上研发了TPDF程序模块及配合的加速算法等模拟单元,发展了针对燃烧室燃烧过程模拟的软件功能。采用射流火焰Flame D和旋流火焰TECFLAM对新软件进行了测试,结果表明:模拟结果与试验数据趋势一致,精度尚可。对某型燃烧室性能模拟验证中,计算的出口温度分布与试验结果一致,平均温度误差小于3.8%,新的软件可进一步应用于燃烧室性能的研究。

燃烧室机匣烧穿后的超声速射流火焰数值模拟研究

依据适航条款CCAR33.17(a)和CCAR25.903(d)(1)的要求,民用航空发动机燃烧室在设计中必须考虑燃烧室内失效可能导致机匣烧穿的危害性后果,并采取相应的防火措施。在民用航空发动机设计中需要充分分析可能引发燃烧室机匣烧穿的失效模式以及烧穿后的危害性。由于燃烧室机匣内的压力较大且烧穿孔较小,其烧穿后会导致超音速射流火。开展该超音速射流火的流动及燃烧特征研究,将有利于指导发动机的防火设计。采用数值模拟方法,计算了不同压比、不同机匣烧穿孔径条件下的超音速射流火的流动与燃烧特征,分析了影响射流火速度及温度的主要参数,并与FAA的燃烧室机匣烧穿试验以及理论模型进行了比较分析。结果表明本文采用的数值模拟方法能够较好地预测该超音速射流火的火焰特征,为发动机的防火设计及后续的适航符合性验证提供支撑。

天然气管线泄漏射流火焰分析

高压天然气输送管线失效泄漏时会形成气体射流,如果在泄漏裂口处被点燃,则将形成射流火焰。火焰的强烈热辐射严重威胁到周围人员和财产的安全。为此,在对大量试验结果和相关理论分析研究的基础上,以平截头圆锥体来近似描述射流火焰的形貌,给出了火焰的几何基本参数的计算公式。在预测火焰的热辐射时,将火焰中心模拟成一个点源,提出了热辐射强度的简便计算方法。此外,结合具体实例,根据自编软件计算了不同风速条件下射流火焰的几何尺寸、离管线泄漏点不同距离处的热辐射强度以及人体感觉疼痛所需时间,并利用概率模型的方法分析了在一定暴露时间下人员受伤害的几率以及人员和建筑物的安全距离。结果表明,射流火焰长度随风速增加而逐渐减小;随离火焰中心距离的增加,热辐射强度大大降低,而造成人体伤害所需时间延长。所给出的数学模型和热辐射强度的计算方法,为输气管线的优化设计和风险后果的定量分析提供了依据。

高压输气管道喷射火几何尺寸和危险半径的研究

针对高压输气管道主要火灾形式——喷射火,利用Thornton模型分析了工程实例中喷射火几何尺寸与风速之间的关系,得出危险半径与泄漏孔径之间的关系曲线,并将利用该方法计算的管道破裂时的危险半径与依据SY/T 6621-2005标准计算的结果进行比较和分析,结果表明该方法更经济、合理。

地铁隧道列车火灾的火焰顶棚射流温度特性研究

以地铁隧道火灾为研究对象,通过1∶8缩尺模型试验和数值模拟分析夹带火焰的烟气顶棚射流的温度特性,为地铁隧道火灾的防灾减灾提供参考。假定火源位于列车中部,燃烧强度是经过相似变换的等量荷载。火焰直接撞击顶棚并向上、下游扩展。考虑隧道内热辐射效应,得到在不同燃料用量下火焰顶棚射流温度的时变规律与空间分布特征。结果表明:燃料的多少对火焰顶棚射流在燃烧时间内的温度时变曲线的变化趋势影响不大,燃烧达到稳定的时间非常接近,但稳定状态的温度明显不同;火焰区上方顶棚射流烟气的最高温度与燃料液面的高度有关,试验中出现在距隧道顶0.18H处,而不是纯烟气顶棚射流给出的0.01H的区域内;列车上方及列车首尾附近的火焰顶棚射流温度沿隧道纵向呈线性衰减,且衰减速率不随时间变化,而不是纯烟气顶棚射流的指数衰减形式。在一定的高度以下,火焰顶棚射流的温度迅速降低,存在温度较低的安全区域适合于人员疏散。

人工扰流条件下喷射火焰的倾角计算

综合考虑喷口直径及射流夹角等因素的影响,利用Thornton模型和相交射流理论推导得出人工扰流条件下的喷射火焰倾角计算公式。通过专门设计的实验装置对人工扰流条件下的丁烷射流燃烧形成的火焰倾角进行实例分析,考察火焰倾角特性及相关影响因素,探讨空气扰流速度变化对火焰倾角的影响,并对公式进行初步验证。结果表明:理论计算结果与实验结果规律吻合;火焰倾角与人工扰流速度以及两射流夹角成正比;同一人工扰流速度下,火焰倾角随着燃气射流速度的增加而减小。

改进点源法在火灾热辐射计算中的应用

为了对火灾热辐射进行较为准确的计算,借鉴CFD计算理论,对热辐射点源模型进行改进,根据火焰宽度、燃烧速率相同的原则,对火焰进行'离散',对控制点的数量进行分析,并试验验证改进点源模型的精确性。结果表明:改进点源模型实现了火灾热辐射的快速计算且精度较高,当火焰高度上点源个数为71时,点源个数的增加对计算结果的改善不明显;计算结果比试验结果数值偏高。

湍流贫燃预混射流火焰的大涡模拟

为了研究高Karlovitz(Ka)数下湍流预混火焰的驻定机制和火焰结构,采用化学热力学建表方法结合假定概率密度函数(PDF)模型,对值班预混射流火焰(PPJB)进行大涡模拟(LES)研究。选取自点火模型作为建表模型,使用假定PDF模型考虑湍流和化学反应之间的相互作用,其中假定双混合物分数的概率密度分布为Dirichlet分布,反应进度变量的概率密度分布为β分布。模拟结果表明,能较好预测PPJB火焰的温度和主要组分的分布。使用中间组分(CO和OH)的质量分数来定性描述PPJB火焰结构,结果表明高Ka数下火焰结构受到湍流涡旋的显著影响。

湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响

采用不同的雷诺平均湍流模型数值模拟美国圣地亚国家实验室的合成气(CO、H2、N2按体积比4∶3∶3混合而成)非预混射流火焰.以实验数据为基础,分析讨论不同湍流模型对数值模拟该射流火焰的影响.结果显示,不同的湍流模型对数值模拟结果的影响非常大,其中只有4种模型能够比较精确地模拟出该火焰.对于Standard k-ε模型,将模型常数Cε1的值由1.44改为1.60可以显著提升其计算精度,但是同样的改进对于雷诺应力模型并不完全适用.同时,虽然雷诺应力模型计算量比双方程模型大,但并没有得到更好的计算结果.综合考虑计算结果与计算量,以Standard k-ω模型的模拟效果最好.

不同同轴空气流速下甲烷射流扩散火焰NO_x的生成特性

对不同同轴空气流速和同轴空气为脉动流时的甲烷湍流扩散火焰NOx排放特性进行了研究,分别采用标量联合概率密度函数(PDF)湍流燃烧模型和涡耗散概念模型(EDC)进行了计算,并与试验值进行了对比.结果表明:EDC模型能较准确地预测NOx的生成,而PDF模型中的mod-ified curl分子混合模型存在一定的缺陷;提高同轴空气流速或当同轴空气流为脉动流时,NOx排放降低;当同轴空气流速提高时,火焰面的标量耗散率提高,由湍流强度增大引起的辐射损失增加,且生成物与空气的快速混合使火焰面变窄,降低了NO的生成,但提高了NO向NO2的转化率;当同轴空气为周期性速度脉动流(频率100 Hz)时,与定常速度相比,时均NOx排放指数降低.

基于一维全尺度湍流模型的氢气射流扩散火焰结构数值模拟

基于Kolmogorov涡旋理论,建立了随机涡旋特征时空尺度及发生频率分布数理模型,在求解动量、组分和能量层流边界层方程的同时,对随机涡旋进行物理概率意义上的模拟．化学反应采用23步氢气氧化详细机理．控制方程组数值求解时,时间积分采用Williamson发展的三阶精度、全显式、低存储Runge-Kutta法,空间离散采用类谱高精度Padé紧致差分格式．结果表明,高精度数值离散格式能更好表达湍流小尺度的时空结构．运用一维全尺度湍流模型对氢气湍流射流扩散火焰结构进行计算研究,模拟结果充分展示了湍流涡旋串级现象,表明湍流涡旋对标量混合具有重要影响,涡旋增强了燃料和氧化剂之间的湍流输运,强化了混合,从而大大影响湍流燃烧速率．

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。

5个待定系数的修正韦伯函数在发动机多火焰区燃烧模型中的应用

提出了含5个待定系数的修正韦伯函数,并应用多元非线性回归技术确定这些系数,模拟了具有双火焰区燃烧模式和稀燃 速燃特性的汽油机射流燃烧系统燃烧室中混合气的燃烧特性,从而成功地借助示功图分离出对分析整个燃烧过程至关重要的各火焰区中的质量燃烧率和火焰速比等参数,构成了实用的附有双火焰区的三区准维燃烧分析模型。应用实例表明,该函数与多区模型相结合,将在火花点火发动机燃烧模拟中具有强大生命力。

多重射流气相燃烧反应器内三维流场的数值模拟

采用标准的k-ε湍流模型、EDC(涡耗散)燃烧模型和DO(离散坐标)辐射换热模型对多重射流燃烧反应器内的流动及燃烧状况进行了三维全尺寸数值模拟。研究了不同工艺条件下燃烧反应器内温度、速度以及各反应组分的分布状况,考察了燃烧反应器径向温度分布等参数对最终颗粒尺寸、形貌特征的影响规律,并与同工艺条件下实验结果进行了验证,数值模拟与实验结果吻合良好。所建立的数学模型为燃烧反应器结构设计和工艺条件优化提供了依据,同时模拟结果也为纳米颗粒成核生长过程的研究提供理论依据。

横向扰流条件下的喷射火脱火高度计算

通过对Thornton模型的深入分析,以其风力影响下的火焰抬升高度计算公式为基础,得出了横向风力条件下的喷射火脱火高度计算模型,进而根据扰流和风力产生脱火的本质相同,利用火焰倾角这一关键参数将扰流速度转化为同等条件下的风速,最终建立了横向扰流条件下的脱火高度计算模型,并设计了同步数据采集实验平台对该模型进行检验及修正,结果表明:模型仿真结果与实验结果变化趋势相同,但在数值上存在一定差别;根据实验数据添加修正系数后,计算模型与实验结果符合良好;脱火发生后,随着横向扰流速度的增大,脱火高度逐渐增大并趋于平缓;相同条件下,扰流喷口半径越大,形成的脱火高度越大.另外实验发现,达到脱火条件时,火焰存在"腾跃"现象,即火焰瞬间脱离燃气喷口上升到一定高度.

大分子碳氢燃料预混射流火焰的化学反应器模拟

针对大分子碳氢燃料预混射流火焰进行模拟,建立一个基于化学反应器网络(CRN)的快速预测模型,对不同工况的大分子碳氢燃料预混射流火焰进行快速模拟.通过对3种(正庚烷、正癸烷、正十二烷)燃料在进口流量0.268~0.343 g/s,当量比0.8~1.2,混合气进口温度380~500 K下的射流火焰进行计算流体力学方法(CFD)求解,建立数据样本集合.通过样本进行数据分析获得射流火焰CRN分区拓扑结构.建立优化模型对化学反应器的特征参数进行优化.建立大分子碳氢燃料射流火焰进口参数与各个反应器出口参数的拟合关系式.最后运用拟合关系式对参考工况进行验证,结果表明预测最大相对误差为11.2%,平均相对误差为4.6%.

H_2/N_2同轴喷射湍流火焰的数值研究

利用Ansys Fluent模拟了H2/N2的同轴喷射湍流燃烧情况,采用雷诺时均法(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS)处理燃料与氧化剂的湍流流动,涡扩散概念(Eddy Dissipation Concept,EDC)模型用来耦合湍流与化学反应。得到了燃烧室内部的温度(T)、混合分数(f)、H2、O2以及H2O的质量分数(F),并与实验结果进行了对比。结果表明,T沿轴向方向逐渐增大,f沿轴向逐渐降低。在火焰区域沿径向,T和F(H2O)先增大后降低,F(H2)逐渐降低,F(O2)逐渐升高,最后均稳定于伴随流的入口值。虽有一定偏差,但模拟结果较好地预测了实验结果的趋势。综合考虑两种RANS模型与实验结果的吻合情况,推荐RSM湍流模型结合EDC模型来研究类似的喷射燃烧情况。

高压可燃气体泄漏动力学过程与喷射火热灾害分析

以高压可燃气体泄漏诱发的喷射火为研究对象,对泄漏过程中喷口处稳态气流状态参数变化及其被点燃之后的喷射火火焰形态与辐射热流场预测模型研究进展进行了综述。归类分析了基于理想气体状态方程和AbelNoble状态方程的高压气体泄漏模型及其适用情况,并对不同浮力控制和动量控制范围的几种喷射火火焰几何尺寸模型进行了概括性总结,同时对不同火焰形态下的点源、多点源、固体以及线源4种热辐射模型进行了汇总,最终提出将3种模型耦合联用以建立适用于不同泄漏条件下喷射火热灾害分析预测方法。分析表明,该分析预测方法具有很好的适用性。

大尺度连续泄漏航空煤油流淌火热辐射模型研究

航空煤油储运过程中因泄漏引发的火灾爆炸事故导致严重危害,流淌火是油料燃烧和流淌的复杂过程。为保证航空煤油储运安全和机场消防的安全,对连续泄漏的航空煤油流淌火的热辐射进行研究。为此设计并搭建流淌火燃烧试验平台,以航空煤油为试验油料,选择水平表面0°(流淌试验为基准),改变坡度,开展大尺度连续泄漏航空煤油流淌火试验。测量燃油泄漏速率、泄漏时间以及流淌火的辐射热流等,分析不同泄漏速率下连续泄漏航空煤油的辐射热流密度,建立航空煤油流淌火固体火焰模型并研究坡度的影响。结果表明:可将矩形油槽内的航空煤油流淌火看作长方体固体火焰模型,估算出大尺度航空煤油流淌火的表面发射功率约为25.7 kW/m^2;流淌火的热辐射热流强度的实测值与经验值相吻合;对比坡度工况,水平工况下对于辐射热流强度的预测更准确。结合固体火焰辐射模型的计算结果和人体受热辐射的伤害判定标准,可以预测不同时刻溢油流淌火周围的安全距离。

意外撞击下移动气压焊轨车火灾爆炸风险分析

在综述乙炔技术指标和一般安全风险的基础上,运用蒸气云TNT当量爆炸效应分析模型和喷射火焰模型对4种不同乙炔泄漏场景的破坏效果进行计算与分析。分析表明:破裂口尺寸、乙炔压力、泄漏时间与泄漏量显著正相关;当泄漏量达到约5 kg时,对人员危害较大;当泄漏量达到约10 kg时,爆炸冲击波将危及邻线列车安全;热辐射强度随距离增加呈幂函数快速衰减;当乙炔气瓶裂口为50 mm时,重伤区最大半径为12 m;低压乙炔管阀压力较小,造成重伤、死亡事故的可能性极小,但要防范次生灾害。