湍流稀液霧兩相流燃燒的大渦模擬和火焰面模型相關(guān)問(wèn)題研究.pdf

1、稀液霧燃燒工程應(yīng)用廣泛，深受研究者關(guān)注。隨著計(jì)算能力的增強(qiáng)和數(shù)值模型的不斷優(yōu)化，數(shù)值模擬在研究稀液霧燃燒機(jī)理、指導(dǎo)燃燒器設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。大渦模擬(LES)方法能夠求解湍流中的大尺度含能結(jié)構(gòu)，基于火焰面的模型能夠耦合詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理并有很大潛力預(yù)測(cè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，這兩種方法在稀液霧燃燒中的應(yīng)用勢(shì)在必然。然而把傳統(tǒng)氣相燃燒模型推廣到兩相流中需要對(duì)模型改進(jìn)以考慮更多的物理過(guò)程。改進(jìn)相關(guān)模型并研究其應(yīng)用范圍、探究模型的理論基礎(chǔ)和分析流

2、場(chǎng)中氣液相互作用等是相關(guān)工作的熱點(diǎn)?；诖?，本文對(duì)火焰面模型在稀液霧燃燒中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，主要工作如下:
　　首先，基于非預(yù)混的火焰面模型和LES方法對(duì)CH4/H2/N2湍流射流擴(kuò)散火焰進(jìn)行模擬，對(duì)比穩(wěn)態(tài)火焰面(SFM)模型和火焰面/進(jìn)度變量(FPV)模型在氣相燃料燃燒中的性能。發(fā)現(xiàn)兩者都較好預(yù)測(cè)流場(chǎng)中一階矩和二階矩，而后者對(duì)二階矩的模擬更準(zhǔn)確。同時(shí)兩種模型對(duì)小濃度組分（小組分）的預(yù)測(cè)存在誤差。如果單獨(dú)求解小組分輸運(yùn)方程可較

3、好解決這個(gè)問(wèn)題。流場(chǎng)的本征正交分解(POD)分析發(fā)現(xiàn)前5階模態(tài)占有總湍流能量的60％左右，而中心射流區(qū)域集中著各尺度的湍流相干結(jié)構(gòu)。隨后通過(guò)對(duì)有回流區(qū)稀液霧受限射流、自由射流湍流流場(chǎng)的大渦模擬來(lái)研究流場(chǎng)中氣液相互作用。有回流區(qū)的稀液霧受限射流中發(fā)現(xiàn)Stokes數(shù)大的液滴彌散受其初始慣性影響較大，而Stokes數(shù)在1附近的小液滴分布在大渦結(jié)構(gòu)的外緣，彌散受氣相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響更大。冷態(tài)條件下，液霧單位體積蒸發(fā)速率和液霧彌散分布密切相關(guān)，而單

4、液滴蒸發(fā)速率受液滴滑移速度影響明顯。這兩方面的工作驗(yàn)證了FPV模型的有效性并分析了冷態(tài)條件下的液滴彌散和蒸發(fā)作用。
　　其次，對(duì)均勻各向同性湍流下正庚烷液滴自點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行直接數(shù)值模擬(DNS)研究，評(píng)估不同局部放熱指標(biāo)的性能，分析燃燒機(jī)制。DNS中采用詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理并直接求解組分輸運(yùn)方程。通過(guò)對(duì)時(shí)間演化過(guò)程、瞬時(shí)圖、散點(diǎn)圖和擬合直線的分析發(fā)現(xiàn)[OH]×[CH2O]在自點(diǎn)火火焰中作為火焰放熱指標(biāo)是合適的。不同火焰機(jī)制時(shí)[OH]×[CH

5、2O]和局部放熱速率基本滿足正比關(guān)系，但比例系數(shù)稍有變化。
　　再則，在歐拉-拉格朗日架構(gòu)下采用FPV模型和LES方法模擬了乙醇-空氣稀液霧駐定火焰，并提出在火焰面架構(gòu)中考慮蒸發(fā)吸熱效應(yīng)的修正模型。修正模型一種是基于修改層流火焰面，一種則側(cè)重在流體計(jì)算中考慮能量平衡。對(duì)修正模型的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，提出的降低火焰面溫度的N-FPV模型和在流場(chǎng)計(jì)算中考慮能量平衡的T-FPV模型都可以有效地模擬蒸發(fā)吸熱，同時(shí)看到模型對(duì)氣相和液相的統(tǒng)計(jì)參數(shù)具有很

6、好的預(yù)測(cè)性能。瞬時(shí)圖分析發(fā)現(xiàn)在x/D=20上游FPV模型也能給出部分點(diǎn)火、熄火現(xiàn)象，而較強(qiáng)的蒸發(fā)作用發(fā)生在剪切層和x/D=20附近高溫區(qū)。數(shù)值結(jié)果表明，蒸發(fā)速率分布受液滴密度和氣相溫度的共同影響。
　　然后，采用LES方法耦合FPV模型對(duì)甲醇和正庚烷燃料高溫伴流中的自點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證火焰面模型對(duì)自點(diǎn)火預(yù)測(cè)特性。為使FPV模型適用存在三個(gè)熱化學(xué)進(jìn)口狀態(tài)（液相燃料、載氣和高溫伴流）的燃燒系統(tǒng)，本文引入新的守恒標(biāo)量對(duì)FPV模型進(jìn)

7、行擴(kuò)展。數(shù)值結(jié)果表明，新提出的三進(jìn)口狀態(tài)模型的火焰瞬時(shí)圖像能合理地預(yù)測(cè)溫度和組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，尤其在噴嘴出口附近，較傳統(tǒng)雙進(jìn)口系統(tǒng)具有更好的預(yù)測(cè)特性。然而要有效地預(yù)測(cè)稀液霧燃燒中的點(diǎn)火過(guò)程需解決抬舉高度被高估的問(wèn)題。隨后，本文采用自點(diǎn)火模型耦合新提出的三進(jìn)口狀態(tài)模型對(duì)稀液霧抬舉火焰進(jìn)行了模擬，得到的一系列火焰抬舉高度和統(tǒng)計(jì)量，與實(shí)驗(yàn)值符合良好，說(shuō)明自點(diǎn)火模型適合這類火焰。對(duì)模擬結(jié)果分析可發(fā)現(xiàn)，隨著液相燃料質(zhì)量流率的增加火焰抬舉高度下降，

8、點(diǎn)火首先發(fā)生在貧燃、標(biāo)量耗散率小的位置。自由基OH往往出現(xiàn)在火焰生成點(diǎn)的上游。在火焰生成點(diǎn)上游，中心射流和高溫伴流的剪切層中存在少數(shù)小點(diǎn)火核心，是點(diǎn)火的預(yù)兆。
　　最后，針對(duì)反應(yīng)進(jìn)度參數(shù)的定義沒(méi)有考慮重油燃料的熱解等情況，提出反應(yīng)進(jìn)度參數(shù)的新定義。采用主成分分析(PCA)這一數(shù)學(xué)工具提出在基于火焰面的燃燒降維處理中優(yōu)化反應(yīng)進(jìn)度參數(shù)定義。對(duì)預(yù)混火焰面數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用PCA和核密度加權(quán)PCA(KEDPCA)并依據(jù)前兩個(gè)主元得到了優(yōu)化的反應(yīng)進(jìn)

9、度參數(shù)定義。通過(guò)模擬/重構(gòu)一個(gè)CH4/N2/空氣抬舉火焰驗(yàn)證新定義的有效性。數(shù)值結(jié)果表明，新定義可以保證熱化學(xué)變量和反應(yīng)進(jìn)度參數(shù)之間的單調(diào)性。在層流抬舉火焰的模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的反應(yīng)進(jìn)度參數(shù)比傳統(tǒng)的定義有更好的表現(xiàn)。溫度和OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的云圖說(shuō)明基于PCA的優(yōu)化定義在高溫區(qū)表現(xiàn)得更好。R2統(tǒng)計(jì)系數(shù)說(shuō)明除部分小組分外，KEDPCA結(jié)果比PCA稍好但差距不明顯。KEDPCA方法的最主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在它受原始數(shù)據(jù)庫(kù)中插值等操作的影響很小，PCA則對(duì)