發(fā)布時(shí)間：2017-08-13 23:02

  本文關(guān)鍵詞：湍流燃燒大渦模擬中的改進(jìn)代數(shù)二階矩燃燒模型研究

  更多相關(guān)文章： 湍流燃燒 大渦模擬 改進(jìn)的代數(shù)二階矩模型 抬升火焰 旋流預(yù)混火焰 陣列駐渦燃燒室

【摘要】：湍流燃燒過(guò)程存在于工業(yè)應(yīng)用的各種燃燒器中。受限于實(shí)際燃燒設(shè)備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不完善的測(cè)量技術(shù),依靠實(shí)驗(yàn)手段往往不能完全揭示燃燒器內(nèi)部的流動(dòng)燃燒過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法能夠花費(fèi)較少的時(shí)間和財(cái)物成本并得到詳細(xì)的流場(chǎng)數(shù)據(jù),成為燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要輔助手段。大渦模擬(LES)能夠捕捉到燃燒流場(chǎng)內(nèi)主要渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,預(yù)測(cè)出燃燒設(shè)備內(nèi)部的動(dòng)態(tài)燃燒過(guò)程,將其作為輔助設(shè)計(jì)手段將有益于了解燃燒過(guò)程的內(nèi)部特征并顯著推進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)程。本論文圍繞燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室開(kāi)展了湍流燃燒的大渦模擬研究。湍流燃燒大渦模擬中的亞網(wǎng)格應(yīng)力模型及亞網(wǎng)格輸運(yùn)模型已發(fā)展較為完善,而由于燃燒過(guò)程涉及到復(fù)雜的物理化學(xué)耦合過(guò)程,適用于燃燒室大渦模擬的燃燒模型一直受到研究者們的關(guān)注。本文聚焦適用于真實(shí)燃燒室大渦模擬的燃燒模型研究,開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的代數(shù)二階矩模型(MASOM),并將此模型進(jìn)行了驗(yàn)證與應(yīng)用。MASOM模型從二階矩模型發(fā)展而來(lái),繼承了原模型考慮亞網(wǎng)格尺度內(nèi)湍流脈動(dòng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的優(yōu)點(diǎn),并對(duì)亞網(wǎng)格化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算式進(jìn)行改進(jìn),消除了原模型中存在的人為給定參數(shù)的影響。而且,MASOM模型進(jìn)一步考慮了亞網(wǎng)格尺度內(nèi)混合過(guò)程對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算的影響,期望預(yù)測(cè)出準(zhǔn)確的化學(xué)反應(yīng)速率。首先,MASOM模型被應(yīng)用在幾個(gè)具有燃燒室典型特征的實(shí)驗(yàn)室火焰的大渦模擬研究中。這些實(shí)驗(yàn)室火焰具有豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),一方面能為模型的驗(yàn)證提供對(duì)比數(shù)據(jù),另外,這些實(shí)驗(yàn)室火焰的影響因素較少,便于更集中地對(duì)燃燒過(guò)程中的特定流動(dòng)燃燒特征進(jìn)行研究分析。MASOM模型被應(yīng)用在射流擴(kuò)散火焰的數(shù)值模擬研究中。射流則是燃燒室中的一種重要流動(dòng)方式。為了快速驗(yàn)證模型的合理性,課題第一步先將MASOM模型應(yīng)用于射流擴(kuò)散火焰的雷諾平均模擬中,并將模擬結(jié)果同原二階矩模型和有限速率／渦破碎模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示MASOM模型能夠得到與實(shí)驗(yàn)更相符的結(jié)果。MASOM模型進(jìn)而應(yīng)用在了射流擴(kuò)散火焰的大渦模擬中。模擬結(jié)果顯示MASOM模型考慮了亞網(wǎng)格尺度內(nèi)溫度和組分的湍流脈動(dòng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響,相比渦耗散概念模型得到了更集中的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域,從而使得模擬得到的各參數(shù)分布與實(shí)驗(yàn)值更符合,這證實(shí)了亞網(wǎng)格化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算的合理性。MASOM模型被應(yīng)用在高溫?zé)煔獍榱魈鹧娴拇鬁u模擬研究中。燃燒室往往使用高溫?zé)煔饣亓鬟M(jìn)行穩(wěn)焰,而在實(shí)驗(yàn)室中此過(guò)程可由高溫?zé)煔獍榱鬟M(jìn)行模擬。在采用經(jīng)典的甲烷一步總包機(jī)理時(shí),MASOM模型預(yù)測(cè)出火焰抬升的現(xiàn)象。雖然預(yù)測(cè)的抬升高度較低,但相比渦耗散概念模型,其模擬結(jié)果更符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。研究進(jìn)一步考慮當(dāng)量比的影響對(duì)甲烷一步總包機(jī)理進(jìn)行了改進(jìn),并應(yīng)用于采用MASOM模型的大渦模擬中。模擬準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了火焰抬升高度以及燃燒場(chǎng)內(nèi)各參數(shù)分布,相比于穩(wěn)態(tài)火焰面類模型得到的模擬結(jié)果更符合實(shí)驗(yàn)值。采用MASOM模型和改進(jìn)的機(jī)理,大渦模擬預(yù)測(cè)出火焰抬升高度隨著燃料射流速度提高而升高,隨著伴流溫度的提高而降低的變化趨勢(shì)。MASOM模型被應(yīng)用在旋流預(yù)混燃燒器的大渦模擬研究中。旋流預(yù)混燃燒是先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常采用的燃燒方式之一。此模擬工作進(jìn)一步采用了甲烷的兩步簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理。相對(duì)于局部攪拌反應(yīng)器模型,MASOM模型得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更相符的速度、溫度及組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。MASOM模型對(duì)多步簡(jiǎn)化機(jī)理的適用性和對(duì)旋流預(yù)混燃燒模擬的準(zhǔn)確性首次得到驗(yàn)證�；谀M得到的詳細(xì)數(shù)據(jù),研究對(duì)旋流貧預(yù)混燃燒中的燃燒特征進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果顯示,燃燒過(guò)程會(huì)消除冷態(tài)流動(dòng)工況中出現(xiàn)的旋進(jìn)渦結(jié)構(gòu),并且能夠向湍流流動(dòng)提供能量使湍流渦團(tuán)不致快速耗散。在入口預(yù)混氣的當(dāng)量比發(fā)生擾動(dòng)時(shí),火焰面會(huì)出現(xiàn)明顯的響應(yīng)過(guò)程,流場(chǎng)內(nèi)湍流強(qiáng)度被顯著增強(qiáng)。入口當(dāng)量比擾動(dòng)的頻率越低,擾動(dòng)對(duì)火焰影響越明顯。擾動(dòng)的振幅越高,擾動(dòng)的影響也越明顯,但是相比頻率的變化此影響較小。最后,MASOM模型被應(yīng)用在真實(shí)燃燒室的大渦模擬中,對(duì)陣列駐渦燃燒室開(kāi)展了研究分析。為了減少模擬計(jì)算量,課題采用了分段模擬方法,將陣列駐渦噴嘴出口處的流動(dòng)特征和溫度組分分布的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為燃燒室模擬區(qū)域的入口邊界,保留了噴嘴中湍流流動(dòng)特征。采用MASOM模型及甲烷的兩步簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理能夠預(yù)測(cè)出較準(zhǔn)確的陣列駐渦燃燒室出口溫度和火焰長(zhǎng)度,模擬出陣列駐渦燃燒室中的火焰面特征。MASOM模型在真實(shí)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的模擬研究中的適用性得到驗(yàn)證。應(yīng)用MASOM模型,大渦模擬預(yù)測(cè)出了陣列駐渦燃燒室內(nèi)的在不同當(dāng)量比工況中的燃燒特征。
【關(guān)鍵詞】：湍流燃燒 大渦模擬 改進(jìn)的代數(shù)二階矩模型 抬升火焰 旋流預(yù)混火焰 陣列駐渦燃燒室
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK16
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒論16-28
• 1.1 研究背景及意義16-18
• 1.1.1 湍流燃燒數(shù)值模擬的研究意義16-17
• 1.1.2 湍流燃燒數(shù)值模擬方法17-18
• 1.2 大渦模擬燃燒模型研究背景18-24
• 1.2.1 有限速率類模型21-23
• 1.2.2 火焰面類模型23-24
• 1.2.3 燃燒模型對(duì)比研究24
• 1.3 燃燒室大渦模擬研究背景24-26
• 1.4 課題研究?jī)?nèi)容及研究目的26-28
• 第2章 大渦模擬方法及改進(jìn)的代數(shù)二階矩模型28-44
• 2.1 大渦模擬控制方程28-32
• 2.1.1 燃燒流場(chǎng)控制方程28-30
• 2.1.2 過(guò)濾后的控制方程30-32
• 2.2 亞網(wǎng)格應(yīng)力模型和亞網(wǎng)格輸運(yùn)模型32-36
• 2.2.1 亞網(wǎng)格應(yīng)力模型32-34
• 2.2.2 亞網(wǎng)格輸運(yùn)模型34-36
• 2.3 改進(jìn)的代數(shù)二階矩模型36-44
• 2.3.1 經(jīng)典二階矩模型37-39
• 2.3.2 改進(jìn)的代數(shù)二階矩模型推導(dǎo)39-42
• 2.3.3 改進(jìn)的代數(shù)二階矩模型特點(diǎn)42-44
• 第3章 射流擴(kuò)散火焰數(shù)值模擬中MASOM模型驗(yàn)證44-62
• 3.1 Flame-D雷諾平均模擬中的MASOM模型45-53
• 3.1.1 網(wǎng)格劃分和邊界條件45-47
• 3.1.2 數(shù)值模擬方法47-49
• 3.1.3 模擬結(jié)果與討論49-53
• 3.2 Flame-D大渦模擬中的MASOM模型53-61
• 3.2.1 數(shù)值方法54-55
• 3.2.2 模擬結(jié)果與討論55-61
• 3.3 本章總結(jié)61-62
• 第4章 甲烷/空氣抬升火焰大渦模擬62-82
• 4.1 MASOM模型與EDC模型模擬對(duì)比64-65
• 4.1.1 數(shù)值方法64
• 4.1.2 模擬結(jié)果及討論64-65
• 4.2 改進(jìn)的甲烷一步總包反應(yīng)機(jī)理65-72
• 4.2.1 改進(jìn)的甲烷一步總包反應(yīng)機(jī)理65-68
• 4.2.2 模擬結(jié)果及討論68-72
• 4.3 MASOM模型與FPV模型模擬對(duì)比72-76
• 4.3.1 FPV模型72-75
• 4.3.2 模擬結(jié)果及討論75-76
• 4.4 不同工況條件對(duì)火焰抬升高度的影響76-80
• 4.4.1 模擬工況76-77
• 4.4.2 模擬結(jié)果及討論77-80
• 4.5 本章總結(jié)80-82
• 第5章 旋流預(yù)混燃燒大渦模擬82-114
• 5.1 冷態(tài)流動(dòng)模擬結(jié)果83-88
• 5.1.1 模擬區(qū)域及數(shù)值方法83-85
• 5.1.2 模擬結(jié)果及討論85-88
• 5.2 MASOM模型和PaSR模型模擬結(jié)果對(duì)比88-93
• 5.2.1 PaSR模型88
• 5.2.2 甲烷的兩步簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理88-89
• 5.2.3 模擬結(jié)果及討論89-93
• 5.3 燃燒過(guò)程對(duì)湍流流場(chǎng)的影響93-98
• 5.3.1 速度分布93-95
• 5.3.2 湍流能譜分析95-96
• 5.3.3 空間關(guān)聯(lián)函數(shù)分析96-98
• 5.4 入口當(dāng)量比擾動(dòng)對(duì)燃燒過(guò)程的影響98-112
• 5.4.1 研究背景98-99
• 5.4.2 數(shù)值方法99-101
• 5.4.3 模擬結(jié)果及討論101-112
• 5.5 本章總結(jié)112-114
• 第6章 陣列駐渦燃燒室大渦模擬114-132
• 6.1 燃燒室分段模擬方法116-124
• 6.1.1 分段模擬方法116-120
• 6.1.2 模擬結(jié)果120-124
• 6.2 火焰筒部分大渦模擬124-131
• 6.2.1 數(shù)值方法124
• 6.2.2 模擬結(jié)果及討論124-131
• 6.3 本章總結(jié)131-132
• 第7章 結(jié)論與展望132-136
• 7.1 結(jié)論132-133
• 7.2 研究創(chuàng)新點(diǎn)133-134
• 7.3 工作展望134-136
• 符號(hào)表136-138
• 參考文獻(xiàn)138-148
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文148-150
• 致謝150

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本文編號(hào)：669430