【摘要】：燃燒作為重要的能源轉(zhuǎn)化方式,在當(dāng)今社會(huì)的能源結(jié)構(gòu)中占有至關(guān)重要的地位。在實(shí)際燃燒設(shè)備中,如燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)爐等,其中的燃燒形式在大部分情況下均為湍流燃燒。湍流燃燒耦合了兩大復(fù)雜物理化學(xué)問題,一是多尺度的湍流問題、二是多尺度的燃燒問題,將很大程度決定著燃燒設(shè)備的工作效率、污染物排放,甚至能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)、合理組織燃燒方式均有賴于數(shù)值模擬的開展。大渦模擬(large eddy simulation,LES)通過過濾操作精確求解大尺度結(jié)構(gòu),而小尺度信息采用模型模化,是模擬湍流燃燒的常用手段。但在湍流燃燒的大渦模擬中有兩個(gè)問題需特別注意:一是如何在大渦模擬網(wǎng)格尺度下捕捉厚度較薄的火焰結(jié)構(gòu);二是如何考慮詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的影響。解決上述問題均需引入亞網(wǎng)格(sub-grid scale,SGS)燃燒模型,因此亞網(wǎng)格燃燒模型是直接影響湍流燃燒大渦模擬質(zhì)量的重要因素。本文通過開展若干典型湍流燃燒過程的大渦模擬研究,包括湍流預(yù)混/分層火焰、湍流非預(yù)混火焰、湍流MILD燃燒等,旨在發(fā)展亞網(wǎng)格燃燒模型、分析湍流燃燒特性、探討污染物排放的影響因素,主要工作和結(jié)論如下,(1)基于代數(shù)火焰面密度(flame surface density,FSD)模型耦合火焰面生成流形(flamelet generated manifolds,FGM)方法對(duì)Cambridge/Sandia系列火焰中的無旋預(yù)混(SwBl)及分層(SwB5)火焰進(jìn)行大渦模擬研究。耦合模型(FSD-FGM)通過FSD模型描述湍流與火焰的相互作用,同時(shí)通過FGM方法確定燃燒場(chǎng)的主要標(biāo)量信息。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明FSD-FGM模型可正確描述預(yù)混/分層火焰的矢量及標(biāo)量的變化。從SwB5分層火焰的當(dāng)量比、定向角概率密度分布可以分析,當(dāng)?shù)鼗鹧嬖谏嫌沃饕獙儆陬A(yù)混燃燒模式,而在下游主要屬于back-supported火焰模式。(2)采用加厚火焰(artificial thickened flame,ATF)模型耦合火焰面生成流形方法對(duì)湍流預(yù)混值班火焰——湍流本生燈火焰F3進(jìn)行大渦模擬研究�；趯恿骰鹧娼Y(jié)構(gòu)分析,耦合模型采用兩種火焰指數(shù)分別追蹤尺度不同的擴(kuò)散過程與化學(xué)反應(yīng)過程。除此之外,為避免假設(shè)湍流運(yùn)動(dòng)和火焰面變化平衡,采用動(dòng)態(tài)皺褶因子模型表征湍流渦旋引起的火焰面面積變化,其對(duì)耦合模型的影響也在相應(yīng)模擬中探討。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明靜態(tài)耦合模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)F3火焰的速度、溫度分布,但在組分信息預(yù)測(cè)方面仍需進(jìn)一步提升。而動(dòng)態(tài)耦合模型僅以計(jì)算耗時(shí)微弱增加為代價(jià),在一定程度上可以改進(jìn)下游火焰鋒面內(nèi)的溫度分布預(yù)測(cè)結(jié)果及上游徑向速度預(yù)測(cè)結(jié)果,這表明動(dòng)態(tài)模型可以更好地保證預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴?3)分別采用兩種亞網(wǎng)格燃燒模型,即火焰面密度模型耦合火焰面生成流形方法、加厚火焰模型耦合火焰面生成流形方法(FSD-FGM、DTF-FGM)對(duì)Cambridge/Sandia系列火焰中的低旋流數(shù)中等分層(SwB6)及強(qiáng)分層(SwBl0)火焰進(jìn)行大渦模擬。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,DTF-FGM模型的表現(xiàn)更優(yōu),盡管其無法完美預(yù)測(cè)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布,但仍可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的峰值位置及大小。通過當(dāng)?shù)匦鲾?shù)表征燃燒對(duì)湍流的影響,由于冷態(tài)工況中鈍體產(chǎn)生的回流區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)且強(qiáng)度較大,在燃燒器出口至下游的一段區(qū)域內(nèi),其當(dāng)?shù)匦鲾?shù)增大。而在分層火焰中,因受到長(zhǎng)度較短且強(qiáng)度較弱的回流區(qū)及流場(chǎng)徑向膨脹的共同影響,當(dāng)?shù)匦鲾?shù)沿軸向方向減小。采用應(yīng)變率的條件概率密度函數(shù)分布定性表征湍流對(duì)火焰鋒面的作用。結(jié)果表明,針對(duì)本文研究的兩個(gè)分層火焰,湍流對(duì)火焰鋒面的作用主要以壓縮效應(yīng)為主。(4)采用火焰面生成流形方法耦合三種假定概率密度函數(shù)(presumed probability density function,PPDF)模型考慮湍流與火焰的相互作用,對(duì)Sandia系列湍流非預(yù)混火焰中的Flame D和E開展大渦模擬研究。除此之外,通過求解附加的NO輸運(yùn)方程模擬污染物NO的生成,并分析不同NO模型的差異。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明不同假定PDF均可合理描述湍流與火焰的相互作用,其之間的差別主要體現(xiàn)在模擬NO分布。ATF模型可用于模擬NO生成,但需要發(fā)展更合理的皺褶因子模型和火焰指數(shù)。由火焰數(shù)據(jù)的散點(diǎn)分布可得,Flame D和E的高溫區(qū)及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域均主要分布在當(dāng)量混合線及富燃側(cè)附近。但相比于Flame D,Flame E的局部熄火現(xiàn)象更加明顯,同時(shí)相應(yīng)的NO生成較少。兩個(gè)火焰的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在標(biāo)量耗散率空間首先快速衰減,隨后近似不變,其峰值主要集中在標(biāo)量耗散率很小的區(qū)域。(5)選用兩種典型的詳細(xì)化學(xué)建表方法,即良攪拌反應(yīng)器(perfectly stirred reactor,PSR)模型與均質(zhì)封閉反應(yīng)器(closed homogeneous batch reactor,AI)模型,耦合假定概率密度函數(shù)模型描述湍流與火焰的相互作用,對(duì)阿德萊德高溫伴流射流火焰系列中的HM1火焰和HM3火焰開展大渦模擬研究。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,對(duì)于本文研究的MILD燃燒,兩個(gè)化學(xué)建表方法的結(jié)果相近,不同組分的最適假定概率密度函數(shù)存在不同。由Budget分析可得,HM3火焰基部主要以自點(diǎn)火過程為主,而在HM1火焰基部,混合過程和反應(yīng)過程均有重要作用。HM3火焰和HM1火焰核心區(qū)內(nèi)的NO分布規(guī)律大體相近,低氧含量的HM1火焰的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)比HM3火焰的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小約一個(gè)量級(jí),說明降低氧含量可以很好地減少NO生成。由物理量與NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的皮爾森相關(guān)系數(shù)可知,對(duì)于HM3火焰,混合物分?jǐn)?shù)與溫度對(duì)NO的影響程度相近;而對(duì)于HM1火焰,相比于溫度,混合物分?jǐn)?shù)與NO之間的關(guān)聯(lián)度大大降低。
【圖文】：

被譽(yù)為經(jīng)典物理學(xué)里最難問題之一（Ｐ0ｐｅ，邋２００１），再引入燃燒過程的影響，使得逡逑開展湍流燃燒問題相關(guān)研宄挑戰(zhàn)巨大。但同時(shí)顯而易見，湍流燃燒過程將很大程逡逑度決定著燃燒設(shè)備的工作效率、污染物排放，甚至能否安全穩(wěn)定運(yùn)行（如圖１．１逡逑所示），因此關(guān)于湍流燃燒問題的相關(guān)研究不可回避。湍流燃燒中包含諸多復(fù)雜逡逑科學(xué)問題，如揣流再層流化現(xiàn)象和燃燒誘導(dǎo)揣流現(xiàn)象（Ｌｉｐａｔｎｉｋｏｖ邋ａｎｄ邋Ｃｈｏｍｉａｋ，逡逑２０１０）、火焰駐定過程（Ｍｅａｒｅｓｅｔａｌ．，２０１５）、火焰?zhèn)鞑ミ^程（Ｆｒｉｅｓ邋ｅｔａｌ．，２０１９）、局部逡逑點(diǎn)火媳火現(xiàn)象（Ｚｈａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１７；邋Ｚｈａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１９）、火焰吹媳現(xiàn)象（Ｍａ邋ｅｔ邋ａｌ．，逡逑２０１９）、火焰措皺現(xiàn)象、火焰熱聲不穩(wěn)定性（Ｈａｎ邋ａｎｄ邋Ｍｏｒｇａｎｓ，，邋２０１５）等。上述每一逡逑個(gè)現(xiàn)象或物理過程均值得開展細(xì)致研究。逡逑圖１．１燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器示意圖，左：己損壞，右：新安裝。圖片來自（Ｒａｓｈｗａｎ邋ｅｔ逡逑ａｌ．，邋２０１６）逡逑１逡逑

其中火焰主要可以劃分為預(yù)混火焰和非預(yù)混（擴(kuò)散）火焰，而無火焰燃燒形逡逑式包括邋ＭＩＬＤ邋（ｍｏｄｅｒａｔｅ邋ｏｒ邋ｉｎｔｅｎｓｅ邋ｌｏｗ－ｏｘｙｇｅｎ邋ｄｉｌｕｔｉｏｎ）燃燒（李鵬飛，２０１３）等，逡逑兩種燃燒形式的區(qū)別如圖１．２所示。逡逑：邋ｆ：；邐Ｗ逡逑圖１．２有焰燃燒（左）和無焰燃燒（右）對(duì)比，圖片來自（Ｌｉ邋ｅｔａｌ．，邋２０１１）逡逑顧名思義，預(yù)混燃燒的特點(diǎn)是，在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生之前，燃料與氧化劑在分子逡逑層面上己經(jīng)完全混合。預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)包括預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)，主要靠化學(xué)反應(yīng)與熱逡逑量、質(zhì)量擴(kuò)散之間的動(dòng)態(tài)平衡維持，其中反應(yīng)區(qū)的厚度更薄。表征預(yù)混火焰的重逡逑要參數(shù)包括？．火焰厚度和火焰速度等，對(duì)于這類多尺度問題，火焰厚度和火焰速逡逑度具有多種定義，其中基于溫度定義的火焰熱厚度（ｔｈｅｒｍａｌ邋ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）通常是劃逡逑分網(wǎng)格的依據(jù)（Ｐｏｉｎｓｏｔ邋ａｎｄ邋Ｖｅｙｎａｎｔｅ，２００５）�；鹧嫠俣仁侵富鹧嫜刈陨矸ㄏ蚍较蛳蝈义戏磻�(yīng)物傳播的速度
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK16

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本文編號(hào)：2667446