空氣射流及合成氣射流火焰的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文采用直接數(shù)值模擬方法對(duì)無反應(yīng)空氣射流和合成氣射流火焰進(jìn)行了研究。具體研究?jī)?nèi)容包括三維燃燒直接數(shù)值模擬的數(shù)值方法、空氣射流及合成氣射流火焰。模擬求解的控制方程為無量綱化完全可壓縮的Navier-Stokes方程，采用具有四階精度的8階中心有限差分的空間求導(dǎo)格式和五步四階Runge-Kutta時(shí)間步進(jìn)格式，同時(shí)添加了10階顯式中心差分過濾格式，該數(shù)值方法表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。推導(dǎo)出了適用于三維燃燒情況的三維特征無反射邊界條件，同時(shí)還采用

2、了緩沖區(qū)低通過濾的緩沖區(qū)邊界條件。此外確定了三維程序并行計(jì)算方法，結(jié)合所采用的顯式差分方法取得了令人滿意的并行加速比。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 ⑴對(duì)一典型亞音速圓形空氣射流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬。計(jì)算得到了平均速度、雷諾應(yīng)力、二階和三階速度相關(guān)及湍流能譜等湍流統(tǒng)計(jì)量，通過同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)DNS結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合非常好。對(duì)渦量、速度梯度進(jìn)行了計(jì)算以揭示湍流結(jié)構(gòu)的演化過程，給出了射流上游段渦環(huán)形狀的擬序結(jié)構(gòu)在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中逐漸破

3、碎的過程的圖像。計(jì)算出射流軸線平均速度衰減率系數(shù)Bu為5.5，這同其他研究者的數(shù)據(jù)非常接近。得到表征射流平均速度徑向分布曲線形狀的常數(shù)Ku為75.4。統(tǒng)計(jì)計(jì)算出了速度相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在軸向區(qū)域x=17d～20d湍流統(tǒng)計(jì)量呈現(xiàn)出較好的自相似性，且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合很好。最后計(jì)算了射流軸線上軸向速度和徑向速度的一維湍流能譜，結(jié)果顯示在湍流慣性子區(qū)能譜衰減符合k-5/3衰減律。在射流軸線上x=19d附近軸線速度和徑向速度的一維能譜因?yàn)橥牧鞯母黜?xiàng)異性

4、而呈現(xiàn)出一定差別。
　　 ⑵模擬了木屑合成氣三維射流火焰燃燒現(xiàn)象，在模擬中采用合成氣的真實(shí)組成，以對(duì)合成氣射流火焰結(jié)構(gòu)、物質(zhì)分布特別是污染物NO的分布情況進(jìn)行更加準(zhǔn)確的研究，同時(shí)采用包含NO反應(yīng)的多步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來模擬反應(yīng)過程。采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)合成氣射流火焰進(jìn)行了測(cè)量，得到了火焰中OH的瞬時(shí)分布圖像和平均濃度的徑向分布。模擬得到了燃燒場(chǎng)中組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、混合分?jǐn)?shù)、化學(xué)反應(yīng)熱釋放率和標(biāo)量耗散率等的分布圖像，發(fā)現(xiàn)模擬得到的

5、OH瞬時(shí)圖像表現(xiàn)出了同PLIF測(cè)量結(jié)果相同的褶皺形狀。然后統(tǒng)計(jì)了得到了各物理量在混合分?jǐn)?shù)空間的PDF分布圖和條件平均值分曲線，發(fā)現(xiàn)OH的最大值出現(xiàn)在最大熱釋放率的左側(cè)，也即偏向高溫的貧燃料側(cè)，這種OH和熱釋放率峰值的偏離說明對(duì)于部分預(yù)混射流火焰來說，采用OH作為火焰鋒面的指示量并不完全精確。而后對(duì)在射流不同位置標(biāo)量耗散率和化學(xué)反應(yīng)速率間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在射流初始段標(biāo)量耗散率越大的地方化學(xué)反應(yīng)越快，在射流下游這種現(xiàn)象逐漸消失。最后對(duì)