發(fā)布時間：2017-10-14 06:27

  本文關(guān)鍵詞：非預混火焰中的流動及燃燒不穩(wěn)定性的直接數(shù)值模擬研究

  更多相關(guān)文章： 氫氣燃燒 非預混火焰 燃燒不穩(wěn)定性 火焰動力學特征 湍流標量輸運 直接數(shù)值模擬 逆梯度擴散

【摘要】：鑒于全球環(huán)境質(zhì)量的不斷下降以及當今以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)的局限性,使得清潔能源的利用問題越來越受到人們的關(guān)注。這其中,氫能由于其高效、清潔等優(yōu)點而格外引人注目。然而到目前為止,由于對氫氣燃燒機理和燃燒行為的認識尚未完善,這很大程度上限制了人們對氫能的安全開發(fā)和利用�；诖�,本文利用高精度直接數(shù)值模擬的方法對非預混火焰在流動和燃燒過程中的不穩(wěn)定性行為和燃燒的內(nèi)在機理做了詳細研究。在研究中利用768個處理器核進行了大規(guī)模的高效并行計算。而且,為了能得到更精細的流場結(jié)構(gòu),在計算中考慮了實際燃燒中的詳細化學反應過程。本研究包括四方面的內(nèi)容,分別為：(1)探討了氫氣非預混火焰在流動和燃燒過程中固有的流體動力學不穩(wěn)定性。(2)研究了由于氫氣自身的快速擴散的屬性誘發(fā)的熱擴散不穩(wěn)定性對非預混火焰結(jié)構(gòu)的影響。(3)探討了燃燒室中非預混火焰因火焰、壓力波及燃燒等因素的相互作用誘導的聲學響應和熱聲耦合不穩(wěn)定性的形成。(4)建立于三維大規(guī)模的直接數(shù)值模擬中提供的海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,開展了對非預混燃燒中的輸運模型的檢驗和發(fā)展的研究。在流動和燃燒過程中自身存在的流體動力學不穩(wěn)定性方面,分別開展了二維和三維直接數(shù)值模擬的研究,探討了氫氣射流撞擊火焰在近場區(qū)域的不穩(wěn)定性。研究中發(fā)現(xiàn),浮力驅(qū)動下的流動不穩(wěn)定性對火焰外部渦旋結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。而且,捕捉到了由剪切效應引起的開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性和相應的小尺度渦旋結(jié)構(gòu)的形成,并且探討了擾動對這兩種不穩(wěn)定性的響應。通過比較二維和三維的模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)二維模擬結(jié)果有一定的局限性,但它可以節(jié)省大量的計算資源,而三維結(jié)果的預測更為準確和精細。通過大規(guī)模高精度的三維直接數(shù)值模擬,進一步研究了氫氣非預混火焰中的熱擴散不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性是由氫氣自身的快速擴散的性質(zhì)誘導的。研究發(fā)現(xiàn),流場中固有的流體動力學不穩(wěn)定性會引發(fā)非預混火焰的不穩(wěn)定,而由優(yōu)勢擴散引起的熱擴散不穩(wěn)定性在一定程度上卻能夠減弱這種不穩(wěn)定性的影響。不僅如此,優(yōu)勢擴散的作用也會影響非預混火焰的組成結(jié)構(gòu)。并且由于組分H2和自由基H的快速擴散的輸運性質(zhì),導致流場中高溫區(qū)的產(chǎn)生和局部高反應物濃度的分布特征。本文還考慮了實際動力推進系統(tǒng)的燃燒設(shè)備里經(jīng)常會發(fā)生的燃燒不穩(wěn)定性即熱聲耦合不穩(wěn)定性。分別通過實驗觀測、直接數(shù)值模擬、以及理論解析三種方法研究,并將三者得到的結(jié)果進行對比分析,發(fā)現(xiàn)了非預混火焰中的熱聲耦合不穩(wěn)定性的形成,而且這種燃燒不穩(wěn)定性誘發(fā)了火焰面周期性撕裂的行為。并且,非預混火焰對外界擾動的響應呈現(xiàn)低通特性。在論文的最后,通過對上述的三維大規(guī)模的直接數(shù)值模擬中得到的各個瞬態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,研究了湍流的統(tǒng)計特性和輸運特性,并預測了湍流脈動標量的逆梯度輸運的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),不論是均一擴散還是優(yōu)勢擴散的條件下,對于非守恒量和守恒量而言,非預混火焰中的湍流脈動標量的輸運行為都并未完全遵循經(jīng)典的梯度模型中所描述的梯度輸運,即梯度輸運模型具有一定的局限性,它并不能準確地描述非預混火焰中的湍流輸運行為。而逆梯度擴散現(xiàn)象的發(fā)生是由于劇烈的化學反應熱釋放引起的壓力梯度的變化,進而影響湍流的擴散和輸運過程。最終,湍流標量輸運呈現(xiàn)出梯度擴散和逆梯度擴散共存的特征。
【關(guān)鍵詞】：氫氣燃燒 非預混火焰 燃燒不穩(wěn)定性 火焰動力學特征 湍流標量輸運 直接數(shù)值模擬 逆梯度擴散
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-33
• 1.1 研究背景簡介13-17
• 1.2 國內(nèi)外研究概況17-30
• 1.2.1 預混和非預混火焰17-19
• 1.2.2 直接數(shù)值模擬研究19-22
• 1.2.3 流動及燃燒不穩(wěn)定性22-30
• 1.3 研究目的和研究內(nèi)容30-31
• 1.4 章節(jié)結(jié)構(gòu)安排31-33
• 第2章 直接數(shù)值模擬的計算方法33-55
• 2.1 引言33
• 2.2 控制方程33-37
• 2.2.1 控制方程的原始形式33-34
• 2.2.2 控制方程的無量綱形式34-37
• 2.3 空間導數(shù)的離散方法37-41
• 2.3.1 偏微分方程的離散化37-39
• 2.3.2 高精度緊致差分格式39-41
• 2.4 時間步進格式41-42
• 2.5 邊界條件42-47
• 2.5.1 特征無反射邊界條件42-47
• 2.5.2 無滑移邊界條件47
• 2.6 化學反應機制47-49
• 2.7 程序設(shè)計和實施49-52
• 2.7.1 并行計算方法51-52
• 2.7.2 程序設(shè)計和運行52
• 2.8 小結(jié)52-55
• 第3章 氫氣燃燒過程中的流體動力學不穩(wěn)定性55-71
• 3.1 引言55
• 3.2 問題和方法55-60
• 3.2.1 物理問題55-56
• 3.2.2 數(shù)值方法56-60
• 3.3 結(jié)果和討論60-69
• 3.3.1 火焰的基本特征60-62
• 3.3.2 浮力效應62-66
• 3.3.3 剪切效應66-69
• 3.4 小結(jié)69-71
• 第4章 非預混火焰中的熱擴散不穩(wěn)定性71-87
• 4.1 引言71
• 4.2 問題和方法71-75
• 4.2.1 物理問題71-73
• 4.2.2 數(shù)值方法73-75
• 4.3 非預混火焰中的優(yōu)勢擴散效應75-85
• 4.3.1 火焰的動力學特征75-83
• 4.3.2 火焰的組成結(jié)構(gòu)83-85
• 4.4 小結(jié)85-87
• 第5章 非預混火焰中的熱聲耦合不穩(wěn)定性87-105
• 5.1 引言87
• 5.2 研究方法87-92
• 5.2.1 實驗系統(tǒng)89-90
• 5.2.2 數(shù)值模擬方法90-91
• 5.2.3 理論分析91-92
• 5.3 強擾動下的非預混火焰的動力學特征92-103
• 5.3.1 熱聲耦合不穩(wěn)定性93-99
• 5.3.2 周期性行為99
• 5.3.3 非預混火焰的低通特性99-103
• 5.4 小結(jié)103-105
• 第6章 非預混火焰中的逆梯度擴散現(xiàn)象105-117
• 6.1 引言105-106
• 6.2 計算模型106-109
• 6.3 非預混火焰中的湍流脈動標量的輸運109-116
• 6.3.1 非守恒量的湍流脈動標量輸運109-111
• 6.3.2 守恒量的湍流脈動標量輸運111-113
• 6.3.3 逆梯度擴散的發(fā)生113-116
• 6.4 小結(jié)116-117
• 第7章 結(jié)論和展望117-123
• 7.1 結(jié)論117-120
• 7.2 創(chuàng)新點120
• 7.3 研究展望120-123
• 參考文獻123-135
• 致謝135-137
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文與取得的其他研究成果137

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7 曹紅加;王岳;呂清剛;張清峰;;聲波對V形預混火焰鋒面皺褶的影響[J];燃燒科學與技術(shù);2010年01期

8 何學超;孫金華;丁以斌;尹藝;袁國杰;;90°彎曲管道對丙烷-空氣預混火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬J];燃燒科學與技術(shù);2010年03期

9 劉聯(lián)勝;茍湘;林博穎;包婕;袁艷;;預混火焰熱聲振蕩的高速攝像分析[J];燃燒科學與技術(shù);2011年02期

10 姚兆普;朱民;;非預混火焰熱斑產(chǎn)生和演化的理論計算[J];推進技術(shù);2012年04期

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1 范寶春;;預混火焰的傳播特性及其穩(wěn)定性[A];慶祝中國力學學會成立50周年暨中國力學學會學術(shù)大會’2007論文摘要集（上）[C];2007年

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4 牛芳;劉慶明;宮廣東;何學秋;白春華;;甲烷-空氣混合物預混火焰的結(jié)構(gòu)特征研究[A];中國職業(yè)安全健康協(xié)會2011年學術(shù)年會論文集[C];2011年

5 王雙峰;張海;J.Jarosinski;A.Gorczakowski;J.Podfilipski;;近可燃極限氣體預混火焰特性的實驗研究[A];中國空間科學學會第七次學術(shù)年會會議手冊及文集[C];2009年

6 毛倩;陳怡然;羅開紅;;基于當量比波動引起的甲烷預混火焰燃燒不穩(wěn)定性的直接數(shù)值模擬[A];中國化學會第29屆學術(shù)年會摘要集——第41分會：燃料與燃燒化學[C];2014年

7 喻健良;高遠;;預混火焰在平板狹縫內(nèi)淬熄性能分析[A];中國職業(yè)安全健康協(xié)會2009年學術(shù)年會論文集[C];2009年

8 劉國棟;;平板狹縫中預混火焰?zhèn)鞑ヅc淬熄的模擬研究[A];第九屆中國CAE工程分析技術(shù)年會專輯[C];2013年

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1 姜婕妤;非預混火焰中的流動及燃燒不穩(wěn)定性的直接數(shù)值模擬研究[D];中國科學技術(shù)大學;2015年

2 劉fE亞;水霧作用下甲烷/空氣層流預混火焰燃燒特性研究[D];中國科學技術(shù)大學;2006年

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4 何學超;丙烷空氣預混火焰在90°彎曲管道內(nèi)傳播特性的實驗和模擬研究[D];中國科學技術(shù)大學;2010年

5 李玉陽;芳烴燃料低壓預混火焰的實驗和動力學模型研究[D];中國科學技術(shù)大學;2010年

6 曹紅加;預混火焰燃燒不穩(wěn)定性及其主動控制[D];中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）;2004年

7 周忠岳;寬壓力層流預混火焰實驗平臺研制[D];中國科學技術(shù)大學;2012年

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9 沈曉波;密閉空間內(nèi)典型可燃氣體層流預混火焰?zhèn)鞑恿W及其化學反應機理研究[D];中國科學技術(shù)大學;2014年

10 顏蓓蓓;低熱值燃氣預混火焰燃燒機理研究[D];天津大學;2010年

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1 穆克進;射流剪切層及相關(guān)預混火焰的被動控制[D];中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）;2006年

2 田雪沁;加壓近極限層流預混火焰的熄滅特性研究[D];清華大學;2011年

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7 曾科;負壓下層流預混火焰結(jié)構(gòu)與不穩(wěn)定性研究[D];國防科學技術(shù)大學;2012年

8 陳明;管道內(nèi)甲烷/空氣預混火焰加速傳播機理研究[D];武漢理工大學;2010年

9 汪延鵬;渦團耗散模型A值對模擬精度的影響[D];廈門大學;2014年

10 朱秉森;磁場對層流預混火焰及氮氧化物生成特性的影響[D];內(nèi)蒙古科技大學;2014年

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