湍流稀液霧兩相流燃燒的大渦模擬和火焰面模型相關問題研究.pdf

1、稀液霧燃燒工程應用廣泛，深受研究者關注。隨著計算能力的增強和數(shù)值模型的不斷優(yōu)化，數(shù)值模擬在研究稀液霧燃燒機理、指導燃燒器設計等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。大渦模擬(LES)方法能夠求解湍流中的大尺度含能結構，基于火焰面的模型能夠耦合詳細反應機理并有很大潛力預測非穩(wěn)態(tài)過程，這兩種方法在稀液霧燃燒中的應用勢在必然。然而把傳統(tǒng)氣相燃燒模型推廣到兩相流中需要對模型改進以考慮更多的物理過程。改進相關模型并研究其應用范圍、探究模型的理論基礎和分析流

2、場中氣液相互作用等是相關工作的熱點?；诖?，本文對火焰面模型在稀液霧燃燒中的應用進行了相關研究，主要工作如下:
　　首先，基于非預混的火焰面模型和LES方法對CH4/H2/N2湍流射流擴散火焰進行模擬，對比穩(wěn)態(tài)火焰面(SFM)模型和火焰面/進度變量(FPV)模型在氣相燃料燃燒中的性能。發(fā)現(xiàn)兩者都較好預測流場中一階矩和二階矩，而后者對二階矩的模擬更準確。同時兩種模型對小濃度組分（小組分）的預測存在誤差。如果單獨求解小組分輸運方程可較

3、好解決這個問題。流場的本征正交分解(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構。隨后通過對有回流區(qū)稀液霧受限射流、自由射流湍流流場的大渦模擬來研究流場中氣液相互作用。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構的外緣，彌散受氣相流場結構的影響更大。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，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，對均勻各向同性湍流下正庚烷液滴自點火過程進行直接數(shù)值模擬(DNS)研究，評估不同局部放熱指標的性能，分析燃燒機制。DNS中采用詳細反應機理并直接求解組分輸運方程。通過對時間演化過程、瞬時圖、散點圖和擬合直線的分析發(fā)現(xiàn)[OH]×[CH2O]在自點火火焰中作為火焰放熱指標是合適的。不同火焰機制時[OH]×[CH

5、2O]和局部放熱速率基本滿足正比關系，但比例系數(shù)稍有變化。
　　再則，在歐拉-拉格朗日架構下采用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中考慮蒸發(fā)吸熱效應的修正模型。修正模型一種是基于修改層流火焰面，一種則側重在流體計算中考慮能量平衡。對修正模型的對比發(fā)現(xiàn)，提出的降低火焰面溫度的N-FPV模型和在流場計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，同時看到模型對氣相和液相的統(tǒng)計參數(shù)具有很

6、好的預測性能。瞬時圖分析發(fā)現(xiàn)在x/D=20上游FPV模型也能給出部分點火、熄火現(xiàn)象，而較強的蒸發(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模型對甲醇和正庚烷燃料高溫伴流中的自點火過程進行了模擬，驗證火焰面模型對自點火預測特性。為使FPV模型適用存在三個熱化學進口狀態(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量對FPV模型進

7、行擴展。數(shù)值結果表明，新提出的三進口狀態(tài)模型的火焰瞬時圖像能合理地預測溫度和組分質(zhì)量分數(shù)分布，尤其在噴嘴出口附近，較傳統(tǒng)雙進口系統(tǒng)具有更好的預測特性。然而要有效地預測稀液霧燃燒中的點火過程需解決抬舉高度被高估的問題。隨后，本文采用自點火模型耦合新提出的三進口狀態(tài)模型對稀液霧抬舉火焰進行了模擬，得到的一系列火焰抬舉高度和統(tǒng)計量，與實驗值符合良好，說明自點火模型適合這類火焰。對模擬結果分析可發(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、點火首先發(fā)生在貧燃、標量耗散率小的位置。自由基OH往往出現(xiàn)在火焰生成點的上游。在火焰生成點上游，中心射流和高溫伴流的剪切層中存在少數(shù)小點火核心，是點火的預兆。
　　最后，針對反應進度參數(shù)的定義沒有考慮重油燃料的熱解等情況，提出反應進度參數(shù)的新定義。采用主成分分析(PCA)這一數(shù)學工具提出在基于火焰面的燃燒降維處理中優(yōu)化反應進度參數(shù)定義。對預混火焰面數(shù)據(jù)庫應用PCA和核密度加權PCA(KEDPCA)并依據(jù)前兩個主元得到了優(yōu)化的反應進

9、度參數(shù)定義。通過模擬/重構一個CH4/N2/空氣抬舉火焰驗證新定義的有效性。數(shù)值結果表明，新定義可以保證熱化學變量和反應進度參數(shù)之間的單調(diào)性。在層流抬舉火焰的模擬過程中發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的反應進度參數(shù)比傳統(tǒng)的定義有更好的表現(xiàn)。溫度和OH質(zhì)量分數(shù)的云圖說明基于PCA的優(yōu)化定義在高溫區(qū)表現(xiàn)得更好。R2統(tǒng)計系數(shù)說明除部分小組分外，KEDPCA結果比PCA稍好但差距不明顯。KEDPCA方法的最主要優(yōu)勢體現(xiàn)在它受原始數(shù)據(jù)庫中插值等操作的影響很小，PCA則對