本文關(guān)鍵詞：PRECCINSTA燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器內(nèi)小孔射流問題的大渦模擬研究

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【摘要】：在工程實際動力機(jī)械燃燒室中,燃料大多通過小孔射入主空氣流或燃燒室,造成燃燒室內(nèi)當(dāng)量比分布不均勻,導(dǎo)致部分預(yù)混現(xiàn)象。相比于普遍采用的雷諾平均(RANS)方法,大渦模擬(LES)方法能更加精確地預(yù)測各種湍流現(xiàn)象。為了研究上游燃料小孔射流對下游可燃?xì)饣旌线^程的影響,并確定可燃混合氣在燃燒之前所能到達(dá)的混合程度,采用高保真大渦模擬方法對著名的PRECCINSTA工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)模型燃燒室中的小孔射流問題進(jìn)行了計算研究。運(yùn)用ICEM-CFD軟件對包含12個射流小孔(直徑僅為1毫米)的復(fù)雜的PRECCINSTA模型燃燒器進(jìn)行幾何重構(gòu),獲得了高質(zhì)量的分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。采用有限體積計算程序LESOCC2C對該基準(zhǔn)燃燒器內(nèi)甲烷經(jīng)小孔射入旋流通道并與主流空氣快速混合的問題開展了大渦模擬研究。對三維冷態(tài)流場共計算了四個算例,分別對應(yīng)全局當(dāng)量比為0.7、0.83和網(wǎng)格總數(shù)為120萬、180萬的四種組合。計算結(jié)果顯示,全局當(dāng)量比為0.7時,粗細(xì)兩種網(wǎng)格預(yù)測得到的錐形通道出口處當(dāng)量比變化范圍很接近,約為[0.4,1.0];而全局當(dāng)量比為0.83時,細(xì)網(wǎng)格預(yù)測得到的當(dāng)量比波動范圍是[0.59,1.01],粗網(wǎng)格的結(jié)果為[0.6,1.15],兩者差別比較明顯。這表明,為了準(zhǔn)確地描述湍流的發(fā)展及預(yù)測下游的甲烷/空氣混合過程,需要具備足夠高的網(wǎng)格精度。研究還表明,無論對全局當(dāng)量比為0.7或是0.83的狀態(tài),甲烷/空氣混合物在進(jìn)入燃燒室時都存在很大的當(dāng)量比波動,導(dǎo)致強(qiáng)烈的部分預(yù)混燃燒現(xiàn)象,這對亞網(wǎng)格燃燒模型提出了很高的要求,因為目前很多燃燒模型僅適合計算完全預(yù)混或非預(yù)混火焰。對比分析了兩種甲烷/空氣燃燒反應(yīng)的簡化機(jī)理——2s CM2機(jī)理和2S_CH4_BFER機(jī)理,分別采用此兩種機(jī)理對15個不同當(dāng)量比情況下的層流預(yù)混火焰進(jìn)行了計算,并與采用詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明當(dāng)量比在[0.5,1.2]之間時,兩種簡化機(jī)理所得的火焰最高溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣�、火焰厚度與詳細(xì)機(jī)理的結(jié)果吻合良好;當(dāng)量比大于1.2時,2s CM2機(jī)理顯示出較大的誤差;當(dāng)量比大于1.3時,兩種簡化機(jī)理的結(jié)果均有很大誤差。結(jié)合小孔射流冷態(tài)計算的研究結(jié)果,可得如下結(jié)論:對于全局當(dāng)量比為0.7和0.83的小孔射流問題,兩種簡化機(jī)理都適用;但是,考慮到更寬的當(dāng)量比適應(yīng)范圍,采用2S_CH4_BFER機(jī)理來計算帶小孔射流的PRECCINSTA湍流火焰更合適。
【關(guān)鍵詞】：小孔射流 部分預(yù)混 大渦模擬 層流預(yù)混火焰 燃?xì)廨啓C(jī)
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK473
【目錄】：

• 摘要5-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 課題研究背景及意義12-14
• 1.2 部分預(yù)混燃燒裝置14-16
• 1.3 大渦模擬方法16-19
• 1.3.1 湍流脈動的過濾17-18
• 1.3.2 亞格子尺度模型18
• 1.3.3 大渦模擬方法的發(fā)展18-19
• 1.4 課題研究主要內(nèi)容19-22
• 第二章 亞網(wǎng)格燃燒模型及反應(yīng)機(jī)理簡化22-32
• 2.1 湍流燃燒模型22-26
• 2.1.1 概率密度函數(shù)模型22-23
• 2.1.2 小火焰面模型23
• 2.1.3 火焰鋒面密度模型23-24
• 2.1.4 動態(tài)火焰增厚模型24-26
• 2.2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡化26-31
• 2.2.1 固有低維流形(ILDM)27-28
• 2.2.2 反應(yīng)－擴(kuò)散流形（REDIM）28-29
• 2.2.3 簡化反應(yīng)機(jī)理29-31
• 2.3 本章小結(jié)31-32
• 第三章 PRECCINSTA項目與模型燃燒器32-42
• 3.1 PRECCINSTA項目32-34
• 3.1.1 項目背景意義32-33
• 3.1.2 項目主要目標(biāo)33-34
• 3.2 模型燃燒器基本信息34-36
• 3.2.1 基本參數(shù)信息34-35
• 3.2.2 冷態(tài)數(shù)值模擬35-36
• 3.3 前期研究成果36-40
• 3.3.1 預(yù)混合燃燒模式36-39
• 3.3.2 部分預(yù)混燃燒模式39-40
• 3.4 本章小結(jié)40-42
• 第四章 數(shù)值計算方法42-54
• 4.1 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分42-45
• 4.1.1 整體結(jié)構(gòu)化思維42-43
• 4.1.2 小孔射流關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)化策略43-44
• 4.1.3 網(wǎng)格局部加密44-45
• 4.2 計算設(shè)定45-49
• 4.2.1 計算域分割45-47
• 4.2.2 甲烷與空氣入口速度47-48
• 4.2.3 邊界條件48-49
• 4.3 LESOCC2C程序49-53
• 4.3.1 數(shù)值方法49-52
• 4.3.2 低馬赫數(shù)方程方法52-53
• 4.3.3 計算資源53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 第五章 PRECCINSTA入流通道流場計算54-74
• 5.1 計算域構(gòu)成54-55
• 5.2 入流通道瞬時流場分析55-58
• 5.2.1 射流通道流場分析56-57
• 5.2.2 旋轉(zhuǎn)通道流場分析57-58
• 5.3 錐形通道流場分析58-64
• 5.3.1 流場分析59-61
• 5.3.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析61-64
• 5.4 錐形通道出口面流場分析64-72
• 5.4.1 流場分析64-68
• 5.4.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析68-72
• 5.5 本章小結(jié)72-74
• 第六章 層流預(yù)混火焰計算74-82
• 6.1 反應(yīng)機(jī)理簡述74-77
• 6.1.1 2s CM2機(jī)理74-75
• 6.1.2 2S_CH4_BFER機(jī)理75-76
• 6.1.3 GRI-Mech 3.0詳細(xì)機(jī)理及INSFLA程序76-77
• 6.2 計算布局77-78
• 6.2.1 網(wǎng)格生成77-78
• 6.2.2 計算設(shè)定與邊界條件78
• 6.3 計算結(jié)果分析及討論78-81
• 6.4 本章小結(jié)81-82
• 第七章 總結(jié)與展望82-84
• 7.1 主要工作與結(jié)論82-83
• 7.2 未來工作計劃83-84
• 參考文獻(xiàn)84-90
• 致謝90-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文92-93

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本文編號：793241