贫燃预混湍流分层火焰的大涡模拟研究

摘要

为了降低NOx和CO的排放，贫燃状态下的预混合燃烧成为一种极具发展潜力的燃烧技术。然而由于化学当量比接近贫燃熄火极限，贫燃预混燃烧容易发生回火、熄火或者热—声耦合等燃烧不稳定现象。分层燃烧即当量比非均匀分布的燃烧方式，通过在点火点附近形成当量比接近于1的浓混合气，由浓混合气引发的火焰引燃周围的稀混合气，可以有效的改善上述问题。
　　相比于纯粹的扩散燃烧和预混合燃烧，人们对分层燃烧的了解还很不够。近年来，德国Darmstadt大学的Sefrin等精心设计了一套新颖的甲烷/空气湍流分层燃烧器，对多种燃烧状态进行了实验研究，为湍流燃烧模型的发展和验证提供了参考依据。本文为了研究分层燃烧特性及验证亚网格燃烧模型的准确性，对Darmstadt湍流分层火焰的两个状态进行了大涡模拟(LES)计算。
　　本研究采用的是基于反应—扩散流形技术(REDIM)与假定概率密度函数(PPDF)相结合的亚网格燃烧模型。REDIM技术简化详细反应机理的同时明确地考虑了化学反应与分子输运过程的耦合，因此既可以描述快速反应状态，也可以描述化学反应缓慢而由扩散过程占据主导作用的慢速反应状态。理论上，REDIM完全适用于描述湍流分层燃烧的各个状态。本研究中，REDIM采用的是二维的简化坐标系:N2和CO2的质量分数，分别代表混合过程和化学反应过程，通过热力学查询表可确定其它热力学变量，如CH4，CO，OH等组分的质量分数以及密度、温度和CO2的生成速率等。在PPDF方法中，依据N2和CO2的质量分数的平均值和方差建立概率密度函数，通过概率积分将上述二维REDIM表转化为四维REDIM表，用于后续的LES模拟研究。
　　针对Darmstadt分层燃烧器，合理简化了几何模型并确定了计算域，利用ICEM-CFD进行了网格划分。分别采用多种网格对等温湍流状态进行了LES计算，验证几何模型简化的合理性并分析网格分辨率对于计算的影响。随后，采用粗、细两种网格计算了湍流分层燃烧状态。将计算值与实验值进行对比，得到的速度、温度及主要组分的变化趋势总体上与实验结果非常吻合，证明亚网格燃烧模型准确可靠。但是在燃烧器出口处由于没有考虑热量散失，计算得到的温度偏高。同时，在火焰的顶端范围（大约100 mm＜ x＜150 mm处），火焰与湍流场的相互作用尤为复杂，要求解此处的湍流场必须保证足够高的网格精度。
　　在此基础上，对计算得到的三维瞬时流场进行了分析。结果表明，在上游靠近管道出口处喇叭形的火焰面与可燃气当量比的等值线以一个小角度相交叉。在轴向位置x=50 mm处，火焰面很皱褶，同时存在front-supported和back-supported两种分层火焰传播方式。而在x=100 mm处，火焰面则比较光顺，front-supported分层火焰传播方式基本消失。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 湍流分层燃烧装置

1．2．1 大众燃油分层喷射(FSI)发动机

1．2．2 实验室湍流分层装置

1．3 大涡模拟方法

1．3．1 大涡模拟湍流脉动的过滤

1．3．2 大涡模拟亚格子尺度模型

1．4 研究内容

第二章 湍流燃烧模型及化学反应机理简化综述

2．1 湍流燃烧模型

2．1．1 概率密度函数模型

2．1．2 动态火焰增厚模型

2．1．3 火焰锋面密度模型

2．2 化学反应机理简化

2．2．1 固有低维流形(ILDB)

2．2．2 反应—扩散流形(REDIM)方法

2．2．3 REDIM方法的应用

2．3 研究方案

第三章 Darmstadt TSF燃烧器

3．1 Darmstadt燃烧器构造

3．2 前期研究结果

第四章 燃烧模型及数值方法

4．1 二维REDIM表的生成

4．2 湍流燃烧模型

4．3 数值方法

4．4 网格的划分

4．5 边界条件

第五章 湍流分层火焰燃烧器的大涡模拟研究

5．1 网格精度分析

5．2 等温湍流状态A-i2流场分析

5．3 湍流燃烧状态A-r流场分析

5．3．1 速度

5．3．2 温度及组分

5．3．2 分层燃烧传播特性

第六章 结论与展望

6．1 主要工作和结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文