湍流預(yù)混和分層燃燒中亞格子模型研究及其在大渦模擬中的應(yīng)用.pdf

1、低污染物排放的燃燒室設(shè)計(jì)要求促進(jìn)了貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。與非預(yù)混燃燒相比，貧燃預(yù)混燃燒能夠降低燃燒室內(nèi)峰值溫度，進(jìn)而有效降低NOx排放。在實(shí)際燃燒室內(nèi)，空間和時(shí)間的約束影響了燃料和氧化劑之間的預(yù)混程度，導(dǎo)致預(yù)混氣體的當(dāng)量比在空間呈現(xiàn)梯度，進(jìn)而出現(xiàn)分層燃燒。為了有效預(yù)測(cè)復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、燃燒過程中非定?，F(xiàn)象以及湍流渦旋與火焰復(fù)雜的相互作用，大渦模擬方法得到了廣泛應(yīng)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(xué)反應(yīng)的相互耦合，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)?；胺匠糖蠼怆y度很大。本文緊緊圍繞湍流預(yù)混和分層火焰，發(fā)展了若干亞格子模型，并針對(duì)不同流場(chǎng)工況、不同駐定機(jī)制以及不同燃燒機(jī)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(diǎn)如下:
　　首先，對(duì)劍橋旋流燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了大渦模擬研究。大渦模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。在燃燒器出口的剪切層附近，采用Q準(zhǔn)則識(shí)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)?；诠β首V密度分析了渦旋脫落的發(fā)生，以及進(jìn)動(dòng)渦核的存在導(dǎo)致流場(chǎng)的振蕩現(xiàn)象。采用三維本征正交分解提取了有旋流動(dòng)中大尺度結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)了多種流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，包括渦旋脫落、進(jìn)動(dòng)渦核和鈍體回流區(qū)末端的不穩(wěn)定性。
　　其次，基于詳細(xì)化學(xué)建表結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞格子模型，對(duì)高Karlovitz數(shù)的值班預(yù)混射流火焰開展了大渦模擬研究。采用自點(diǎn)火模型耦合預(yù)混火焰?zhèn)鞑ツＰ蜆?gòu)建詳細(xì)化學(xué)熱力學(xué)表。計(jì)算了不同未燃?xì)怏w溫度條件下一維非穩(wěn)態(tài)的層流預(yù)混火

4、焰，對(duì)耦合建表方法預(yù)測(cè)化學(xué)熱力學(xué)狀態(tài)的能力進(jìn)行了評(píng)估。使用假定概率密度函數(shù)考慮湍流和化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用，其中假定雙混合物分?jǐn)?shù)的概率密度分布為Dirichlet分布。探討了不同詳細(xì)化學(xué)建表方法和不同假定概率密度函數(shù)模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，然后分析了高Karlovitz數(shù)的值班預(yù)混射流火焰的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和火焰結(jié)構(gòu)。
　　再者，基于動(dòng)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(duì)薄反應(yīng)機(jī)制下湍流預(yù)混和分層火焰開展了

5、大渦模擬研究。利用反應(yīng)進(jìn)度變量定義的火焰指數(shù)動(dòng)態(tài)確定加厚因子，使得加厚過程限制在實(shí)際計(jì)算需要加厚的區(qū)域。針對(duì)湍流預(yù)混火焰，推導(dǎo)了DTF-FGM模型中特征標(biāo)量（混合物分?jǐn)?shù)和反應(yīng)進(jìn)度變量）及相應(yīng)亞格子方差的大渦模擬輸運(yùn)方程。針對(duì)湍流分層火焰，由于采用copula方法考慮了混合物分?jǐn)?shù)和反應(yīng)進(jìn)度變量之間的相關(guān)性，因此推導(dǎo)了DTF-FGM模型中協(xié)方差的大渦模擬輸運(yùn)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(yù)混火焰的計(jì)算結(jié)果，對(duì)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(jìn)行了敏感性分析。評(píng)估了DTF-FGM和PPDF-FGM模型預(yù)測(cè)薄反應(yīng)機(jī)制下湍流預(yù)混火焰和分層火焰結(jié)構(gòu)的能力，然后采用當(dāng)量比的概率密度分布，以及當(dāng)量比和反應(yīng)進(jìn)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(xì)化學(xué)建表結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞格子模型，對(duì)高溫伴流湍流抬舉火焰開展了大渦