湍流預混和分層燃燒中亞格子模型研究及其在大渦模擬中的應用.pdf

1、低污染物排放的燃燒室設計要求促進了貧燃預混燃燒技術(shù)在燃氣輪機和航空發(fā)動機中的應用。與非預混燃燒相比，貧燃預混燃燒能夠降低燃燒室內(nèi)峰值溫度，進而有效降低NOx排放。在實際燃燒室內(nèi)，空間和時間的約束影響了燃料和氧化劑之間的預混程度，導致預混氣體的當量比在空間呈現(xiàn)梯度，進而出現(xiàn)分層燃燒。為了有效預測復雜流場結(jié)構(gòu)、燃燒過程中非定?，F(xiàn)象以及湍流渦旋與火焰復雜的相互作用，大渦模擬方法得到了廣泛應用。湍流燃燒大渦模擬的主要困難在于非線性的多尺度湍流和

2、多尺度化學反應的相互耦合，導致化學反應源項?；胺匠糖蠼怆y度很大。本文緊緊圍繞湍流預混和分層火焰，發(fā)展了若干亞格子模型，并針對不同流場工況、不同駐定機制以及不同燃燒機制的若干典型湍流燃燒算例開展了大渦模擬研究。主要工作及創(chuàng)新點如下:
　　首先，對劍橋旋流燃燒器的冷態(tài)流場進行了大渦模擬研究。大渦模擬統(tǒng)計結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好，驗證了數(shù)值方法的準確性。在燃燒器出口的剪切層附近，采用Q準則識別了無旋流工況的環(huán)狀渦結(jié)構(gòu)和有旋流工況的螺旋渦

3、結(jié)構(gòu)。基于功率譜密度分析了渦旋脫落的發(fā)生，以及進動渦核的存在導致流場的振蕩現(xiàn)象。采用三維本征正交分解提取了有旋流動中大尺度結(jié)構(gòu)，預測了多種流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，包括渦旋脫落、進動渦核和鈍體回流區(qū)末端的不穩(wěn)定性。
　　其次，基于詳細化學建表結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞格子模型，對高Karlovitz數(shù)的值班預混射流火焰開展了大渦模擬研究。采用自點火模型耦合預混火焰?zhèn)鞑ツＰ蜆?gòu)建詳細化學熱力學表。計算了不同未燃氣體溫度條件下一維非穩(wěn)態(tài)的層流預混火

4、焰，對耦合建表方法預測化學熱力學狀態(tài)的能力進行了評估。使用假定概率密度函數(shù)考慮湍流和化學反應之間的相互作用，其中假定雙混合物分數(shù)的概率密度分布為Dirichlet分布。探討了不同詳細化學建表方法和不同假定概率密度函數(shù)模型對計算結(jié)果的影響，然后分析了高Karlovitz數(shù)的值班預混射流火焰的流場結(jié)構(gòu)和火焰結(jié)構(gòu)。
　　再者，基于動態(tài)加厚火焰結(jié)合火焰面生成流形建表方法的亞格子模型(DTF-FGM)，對薄反應機制下湍流預混和分層火焰開展了

5、大渦模擬研究。利用反應進度變量定義的火焰指數(shù)動態(tài)確定加厚因子，使得加厚過程限制在實際計算需要加厚的區(qū)域。針對湍流預混火焰，推導了DTF-FGM模型中特征標量（混合物分數(shù)和反應進度變量）及相應亞格子方差的大渦模擬輸運方程。針對湍流分層火焰，由于采用copula方法考慮了混合物分數(shù)和反應進度變量之間的相關(guān)性，因此推導了DTF-FGM模型中協(xié)方差的大渦模擬輸運方程。作為不同亞格子模型的比較，建立了火焰面生成流形建表方法結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞

6、格子模型(PPDF-FGM)。基于湍流預混火焰的計算結(jié)果，對DTF-FGM模型中重要參數(shù)，如皺褶因子、加厚因子和亞格子方差模型等進行了敏感性分析。評估了DTF-FGM和PPDF-FGM模型預測薄反應機制下湍流預混火焰和分層火焰結(jié)構(gòu)的能力，然后采用當量比的概率密度分布，以及當量比和反應進度變量之間定向角的概率密度分布研究了湍流分層火焰結(jié)構(gòu)。
　　最后，基于詳細化學建表結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞格子模型，對高溫伴流湍流抬舉火焰開展了大渦