湍流稀液雾两相流燃烧的大涡模拟和火焰面模型相关问题研究

摘要

稀液雾燃烧工程应用广泛，深受研究者关注。随着计算能力的增强和数值模型的不断优化，数值模拟在研究稀液雾燃烧机理、指导燃烧器设计等方面发挥着越来越重要的作用。大涡模拟(LES)方法能够求解湍流中的大尺度含能结构，基于火焰面的模型能够耦合详细反应机理并有很大潜力预测非稳态过程，这两种方法在稀液雾燃烧中的应用势在必然。然而把传统气相燃烧模型推广到两相流中需要对模型改进以考虑更多的物理过程。改进相关模型并研究其应用范围、探究模型的理论基础和分析流场中气液相互作用等是相关工作的热点。基于此，本文对火焰面模型在稀液雾燃烧中的应用进行了相关研究，主要工作如下:
　　首先，基于非预混的火焰面模型和LES方法对CH4/H2/N2湍流射流扩散火焰进行模拟，对比稳态火焰面(SFM)模型和火焰面/进度变量(FPV)模型在气相燃料燃烧中的性能。发现两者都较好预测流场中一阶矩和二阶矩，而后者对二阶矩的模拟更准确。同时两种模型对小浓度组分（小组分）的预测存在误差。如果单独求解小组分输运方程可较好解决这个问题。流场的本征正交分解(POD)分析发现前5阶模态占有总湍流能量的60％左右，而中心射流区域集中着各尺度的湍流相干结构。随后通过对有回流区稀液雾受限射流、自由射流湍流流场的大涡模拟来研究流场中气液相互作用。有回流区的稀液雾受限射流中发现Stokes数大的液滴弥散受其初始惯性影响较大，而Stokes数在1附近的小液滴分布在大涡结构的外缘，弥散受气相流场结构的影响更大。冷态条件下，液雾单位体积蒸发速率和液雾弥散分布密切相关，而单液滴蒸发速率受液滴滑移速度影响明显。这两方面的工作验证了FPV模型的有效性并分析了冷态条件下的液滴弥散和蒸发作用。
　　其次，对均匀各向同性湍流下正庚烷液滴自点火过程进行直接数值模拟(DNS)研究，评估不同局部放热指标的性能，分析燃烧机制。DNS中采用详细反应机理并直接求解组分输运方程。通过对时间演化过程、瞬时图、散点图和拟合直线的分析发现[OH]×[CH2O]在自点火火焰中作为火焰放热指标是合适的。不同火焰机制时[OH]×[CH2O]和局部放热速率基本满足正比关系，但比例系数稍有变化。
　　再则，在欧拉-拉格朗日架构下采用FPV模型和LES方法模拟了乙醇-空气稀液雾驻定火焰，并提出在火焰面架构中考虑蒸发吸热效应的修正模型。修正模型一种是基于修改层流火焰面，一种则侧重在流体计算中考虑能量平衡。对修正模型的对比发现，提出的降低火焰面温度的N-FPV模型和在流场计算中考虑能量平衡的T-FPV模型都可以有效地模拟蒸发吸热，同时看到模型对气相和液相的统计参数具有很好的预测性能。瞬时图分析发现在x/D=20上游FPV模型也能给出部分点火、熄火现象，而较强的蒸发作用发生在剪切层和x/D=20附近高温区。数值结果表明，蒸发速率分布受液滴密度和气相温度的共同影响。
　　然后，采用LES方法耦合FPV模型对甲醇和正庚烷燃料高温伴流中的自点火过程进行了模拟，验证火焰面模型对自点火预测特性。为使FPV模型适用存在三个热化学进口状态（液相燃料、载气和高温伴流）的燃烧系统，本文引入新的守恒标量对FPV模型进行扩展。数值结果表明，新提出的三进口状态模型的火焰瞬时图像能合理地预测温度和组分质量分数分布，尤其在喷嘴出口附近，较传统双进口系统具有更好的预测特性。然而要有效地预测稀液雾燃烧中的点火过程需解决抬举高度被高估的问题。随后，本文采用自点火模型耦合新提出的三进口状态模型对稀液雾抬举火焰进行了模拟，得到的一系列火焰抬举高度和统计量，与实验值符合良好，说明自点火模型适合这类火焰。对模拟结果分析可发现，随着液相燃料质量流率的增加火焰抬举高度下降，点火首先发生在贫燃、标量耗散率小的位置。自由基OH往往出现在火焰生成点的上游。在火焰生成点上游，中心射流和高温伴流的剪切层中存在少数小点火核心，是点火的预兆。
　　最后，针对反应进度参数的定义没有考虑重油燃料的热解等情况，提出反应进度参数的新定义。采用主成分分析(PCA)这一数学工具提出在基于火焰面的燃烧降维处理中优化反应进度参数定义。对预混火焰面数据库应用PCA和核密度加权PCA(KEDPCA)并依据前两个主元得到了优化的反应进度参数定义。通过模拟/重构一个CH4/N2/空气抬举火焰验证新定义的有效性。数值结果表明，新定义可以保证热化学变量和反应进度参数之间的单调性。在层流抬举火焰的模拟过程中发现优化的反应进度参数比传统的定义有更好的表现。温度和OH质量分数的云图说明基于PCA的优化定义在高温区表现得更好。R2统计系数说明除部分小组分外，KEDPCA结果比PCA稍好但差距不明显。KEDPCA方法的最主要优势体现在它受原始数据库中插值等操作的影响很小，PCA则对原始数据库中的状态变化更敏感。通过研究，本文给出反应进度参数或降维参数定义的普遍准则。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 湍流燃烧数值模拟研究的背景

1．2 两相流燃烧的数值模拟

1．3 稀液雾燃烧的大涡模拟方法

1．3．1 湍流模拟方法

1．3．2 发展现状

1．4 湍流燃烧的火焰面模型

1．4．1 湍流燃烧模型概述

1．4．2 化学建库方法／火焰面模型

1．4．3 火焰面模型应用于稀液雾燃烧

1．5 本文研究稀液雾燃烧的具体背景

1．6 本文主要工作内容

第2章 数学物理模型和方法

2．1 大涡模拟(LES)方法

2．1．1 过滤函数及控制方程

2．1．2 亚格子应力模型

2．1．3 亚格子标量通量模型

2．2 燃烧模型

2．2．1 稳态火焰面模型SFM

2．2．2 火焰面／进度变量模型FPV

2．2．3 自点火模型

2．3 LES／化学反应的耦合

2．4 欧拉-拉格朗日架构下的两相流模型

2．5 数值方法

2．5．1 气相的数值方法

2．5．2 离散相的数值方法

2．5．3 动能守恒格式

第3章 工况验证和流场分析

3．1 CH4／H2／N2扩散火焰

3．2 气相扩散火焰计算过程

3．3 燃烧场结果和分析

3．3．1 瞬时特征和统计量分析

3．3．2 POD分析

3．4 有蒸发的冷态稀液雾射流

3．5 稀液雾射流的参数及计算过程

3．6 有蒸发稀液雾射流的结果和分析

3．6．1 统计结果对比

3．6．2 气相流场对液滴弥散的影响

3．6．3 气相流场对蒸发特性的影响

3．7 放热指标研究的意义

3．8 均匀各向同性湍流的DNS方法

3．9 DNS结果和分析

3．9．1 燃烧场随时间变化

3．9．2 放热指标的瞬时特性

3．9．3 线性关系的确定

3．9．4 不同燃烧机制的影响

3．10 小结

第4章 稀液雾驻定燃烧的大涡模拟和蒸发吸热模型的研究

4．1 计算方法和过程

4．2 驻定燃烧的计算结果和分析

4．2．1 燃烧场的瞬时分析

4．2．2 燃烧场的统计量分析

4．3 考虑液雾蒸发吸热的修正FPV模型

4．3．1 修正层流火焰面温度

4．3．2 在CFD中考虑能量平衡

4．4 考虑蒸发吸热后各种修正模型比较

4．4．1 火焰驻定特征分析

4．4．2 不同蒸发吸热模型的影响

4．5 小结

第5章 稀液雾射流抬举火焰的大涡模拟研究

5．1 稀液雾射流抬举火焰的燃烧器

5．2 燃烧器三进口状态问题讨论

5．2．1 双进口状态模型

5．2．2 进口包含三个状态的处理方法

5．2．3 两个标量的方程

5．3 甲醇液雾抬举火焰的计算过程

5．4 甲醇液雾抬举火焰的结果和分析

5．4．1 瞬时流场分析

5．4．2 统计流场的分析

5．5 正庚烷液雾抬举火焰的模拟

5．5．1 正庚烷燃烧的实验装置

5．5．2 正庚烷液雾抬举火焰的结果分析

5．6 三进口状态模型下的自点火过程

5．7 乙醇液雾抬举火焰的计算

5．8 乙醇抬举火焰的结果和分析

5．8．1 瞬时结果分析

5．8．2 统计结果对比

5．8．3 点火特性分析

5．9 小结

第6章 基于主元分析的反应进度参数新定义

6．1 主元分析及其在燃烧研究中的应用

6．2 主元分析及其理论推导

6．2．1 火焰面数据库的PCA和KEDPCA方法

6．2．2 反应进度参数的测试过程

6．3 层流抬举火焰

6．3．1 火焰配置

6．3．2 唯一性验证

6．4 结果和分析

6．4．1 建立流动化学库

6．4．2 火焰的重构

6．4．3 回归分析

6．5 小结

第7章 结论和展望

7．1 全文总结

7．2 创新点

7．3 工作展望

参考文献

博士期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

致谢