非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究

发布时间：2017-10-14 06:27

  本文关键词：非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究

  更多相关文章： 氢气燃烧 非预混火焰 燃烧不稳定性 火焰动力学特征 湍流标量输运 直接数值模拟 逆梯度扩散

【摘要】：鉴于全球环境质量的不断下降以及当今以化石燃料为主的能源结构的局限性,使得清洁能源的利用问题越来越受到人们的关注。这其中,氢能由于其高效、清洁等优点而格外引人注目。然而到目前为止,由于对氢气燃烧机理和燃烧行为的认识尚未完善,这很大程度上限制了人们对氢能的安全开发和利用。基于此,本文利用高精度直接数值模拟的方法对非预混火焰在流动和燃烧过程中的不稳定性行为和燃烧的内在机理做了详细研究。在研究中利用768个处理器核进行了大规模的高效并行计算。而且,为了能得到更精细的流场结构,在计算中考虑了实际燃烧中的详细化学反应过程。本研究包括四方面的内容,分别为：(1)探讨了氢气非预混火焰在流动和燃烧过程中固有的流体动力学不稳定性。(2)研究了由于氢气自身的快速扩散的属性诱发的热扩散不稳定性对非预混火焰结构的影响。(3)探讨了燃烧室中非预混火焰因火焰、压力波及燃烧等因素的相互作用诱导的声学响应和热声耦合不稳定性的形成。(4)建立于三维大规模的直接数值模拟中提供的海量数据的基础上,开展了对非预混燃烧中的输运模型的检验和发展的研究。在流动和燃烧过程中自身存在的流体动力学不稳定性方面,分别开展了二维和三维直接数值模拟的研究,探讨了氢气射流撞击火焰在近场区域的不稳定性。研究中发现,浮力驱动下的流动不稳定性对火焰外部涡旋结构的形成至关重要。而且,捕捉到了由剪切效应引起的开尔文-亥姆霍兹不稳定性和相应的小尺度涡旋结构的形成,并且探讨了扰动对这两种不稳定性的响应。通过比较二维和三维的模拟结果,发现二维模拟结果有一定的局限性,但它可以节省大量的计算资源,而三维结果的预测更为准确和精细。通过大规模高精度的三维直接数值模拟,进一步研究了氢气非预混火焰中的热扩散不稳定性。这种不稳定性是由氢气自身的快速扩散的性质诱导的。研究发现,流场中固有的流体动力学不稳定性会引发非预混火焰的不稳定,而由优势扩散引起的热扩散不稳定性在一定程度上却能够减弱这种不稳定性的影响。不仅如此,优势扩散的作用也会影响非预混火焰的组成结构。并且由于组分H2和自由基H的快速扩散的输运性质,导致流场中高温区的产生和局部高反应物浓度的分布特征。本文还考虑了实际动力推进系统的燃烧设备里经常会发生的燃烧不稳定性即热声耦合不稳定性。分别通过实验观测、直接数值模拟、以及理论解析三种方法研究,并将三者得到的结果进行对比分析,发现了非预混火焰中的热声耦合不稳定性的形成,而且这种燃烧不稳定性诱发了火焰面周期性撕裂的行为。并且,非预混火焰对外界扰动的响应呈现低通特性。在论文的最后,通过对上述的三维大规模的直接数值模拟中得到的各个瞬态数据的统计,研究了湍流的统计特性和输运特性,并预测了湍流脉动标量的逆梯度输运的现象。研究发现,不论是均一扩散还是优势扩散的条件下,对于非守恒量和守恒量而言,非预混火焰中的湍流脉动标量的输运行为都并未完全遵循经典的梯度模型中所描述的梯度输运,即梯度输运模型具有一定的局限性,它并不能准确地描述非预混火焰中的湍流输运行为。而逆梯度扩散现象的发生是由于剧烈的化学反应热释放引起的压力梯度的变化,进而影响湍流的扩散和输运过程。最终,湍流标量输运呈现出梯度扩散和逆梯度扩散共存的特征。
【关键词】：氢气燃烧 非预混火焰 燃烧不稳定性 火焰动力学特征 湍流标量输运 直接数值模拟 逆梯度扩散
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-33
• 1.1 研究背景简介13-17
• 1.2 国内外研究概况17-30
• 1.2.1 预混和非预混火焰17-19
• 1.2.2 直接数值模拟研究19-22
• 1.2.3 流动及燃烧不稳定性22-30
• 1.3 研究目的和研究内容30-31
• 1.4 章节结构安排31-33
• 第2章 直接数值模拟的计算方法33-55
• 2.1 引言33
• 2.2 控制方程33-37
• 2.2.1 控制方程的原始形式33-34
• 2.2.2 控制方程的无量纲形式34-37
• 2.3 空间导数的离散方法37-41
• 2.3.1 偏微分方程的离散化37-39
• 2.3.2 高精度紧致差分格式39-41
• 2.4 时间步进格式41-42
• 2.5 边界条件42-47
• 2.5.1 特征无反射边界条件42-47
• 2.5.2 无滑移边界条件47
• 2.6 化学反应机制47-49
• 2.7 程序设计和实施49-52
• 2.7.1 并行计算方法51-52
• 2.7.2 程序设计和运行52
• 2.8 小结52-55
• 第3章 氢气燃烧过程中的流体动力学不稳定性55-71
• 3.1 引言55
• 3.2 问题和方法55-60
• 3.2.1 物理问题55-56
• 3.2.2 数值方法56-60
• 3.3 结果和讨论60-69
• 3.3.1 火焰的基本特征60-62
• 3.3.2 浮力效应62-66
• 3.3.3 剪切效应66-69
• 3.4 小结69-71
• 第4章 非预混火焰中的热扩散不稳定性71-87
• 4.1 引言71
• 4.2 问题和方法71-75
• 4.2.1 物理问题71-73
• 4.2.2 数值方法73-75
• 4.3 非预混火焰中的优势扩散效应75-85
• 4.3.1 火焰的动力学特征75-83
• 4.3.2 火焰的组成结构83-85
• 4.4 小结85-87
• 第5章 非预混火焰中的热声耦合不稳定性87-105
• 5.1 引言87
• 5.2 研究方法87-92
• 5.2.1 实验系统89-90
• 5.2.2 数值模拟方法90-91
• 5.2.3 理论分析91-92
• 5.3 强扰动下的非预混火焰的动力学特征92-103
• 5.3.1 热声耦合不稳定性93-99
• 5.3.2 周期性行为99
• 5.3.3 非预混火焰的低通特性99-103
• 5.4 小结103-105
• 第6章 非预混火焰中的逆梯度扩散现象105-117
• 6.1 引言105-106
• 6.2 计算模型106-109
• 6.3 非预混火焰中的湍流脉动标量的输运109-116
• 6.3.1 非守恒量的湍流脉动标量输运109-111
• 6.3.2 守恒量的湍流脉动标量输运111-113
• 6.3.3 逆梯度扩散的发生113-116
• 6.4 小结116-117
• 第7章 结论和展望117-123
• 7.1 结论117-120
• 7.2 创新点120
• 7.3 研究展望120-123
• 参考文献123-135
• 致谢135-137
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果137

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 原鲲,张孝谦;湍流和预混火焰相互作用的实验研究[J];工程热物理学报;2004年02期

2 董刚,邱榕,蒋勇,张和平;利用主成分分析法简化甲烷/空气层流预混火焰的反应机理[J];火灾科学;2004年03期

3 原鲲;张孝谦;;预混火焰面附近的湍流特性测量[J];清华大学学报(自然科学版);2007年03期

4 穆克进;王岳;雷宇;张哲巅;聂超群;肖云汉;;运用激光层析观测预混火焰前锋[J];燃烧科学与技术;2007年03期

5 穆克进;王岳;雷宇;张哲巅;聂超群;肖云汉;;预混火焰前锋的观测及提取[J];工程热物理学报;2007年05期

6 刘fE亚;康泉胜;陆守香;;水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性[J];工程热物理学报;2008年10期

7 曹红加;王岳;吕清刚;张清峰;;声波对V形预混火焰锋面皱褶的影响[J];燃烧科学与技术;2010年01期

8 何学超;孙金华;丁以斌;尹艺;袁国杰;;90°弯曲管道对丙烷-空气预混火焰传播的影响[J];燃烧科学与技术;2010年03期

9 刘联胜;苟湘;林博颖;包婕;袁艳;;预混火焰热声振荡的高速摄像分析[J];燃烧科学与技术;2011年02期

10 姚兆普;朱民;;非预混火焰热斑产生和演化的理论计算[J];推进技术;2012年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 范宝春;;预混火焰的传播特性及其稳定性[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（上）[C];2007年

2 蒋华;董刚;;激波诱导预混火焰界面失稳的时间尺度研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

3 孙金华;陈栋梁;;不同浓度甲烷/空气预混火焰结构特征[A];中国职业安全健康协会2009年学术年会论文集[C];2009年

4 牛芳;刘庆明;宫广东;何学秋;白春华;;甲烷-空气混合物预混火焰的结构特征研究[A];中国职业安全健康协会2011年学术年会论文集[C];2011年

5 王双峰;张海;J.Jarosinski;A.Gorczakowski;J.Podfilipski;;近可燃极限气体预混火焰特性的实验研究[A];中国空间科学学会第七次学术年会会议手册及文集[C];2009年

6 毛倩;陈怡然;罗开红;;基于当量比波动引起的甲烷预混火焰燃烧不稳定性的直接数值模拟[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第41分会：燃料与燃烧化学[C];2014年

7 喻健良;高远;;预混火焰在平板狭缝内淬熄性能分析[A];中国职业安全健康协会2009年学术年会论文集[C];2009年

8 刘国栋;;平板狭缝中预混火焰传播与淬熄的模拟研究[A];第九届中国CAE工程分析技术年会专辑[C];2013年

9 蒋华;董刚;;预混火焰界面RM不稳定的时间尺度研究[A];第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会论文集[C];2013年

10 卢占斌;;火球的相互作用[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 姜婕妤;非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2015年

2 刘fE亚;水雾作用下甲烷/空气层流预混火焰燃烧特性研究[D];中国科学技术大学;2006年

3 姚兆普;非预混火焰热声耦合机理的理论和计算分析[D];清华大学;2012年

4 何学超;丙烷空气预混火焰在90°弯曲管道内传播特性的实验和模拟研究[D];中国科学技术大学;2010年

5 李玉阳;芳烃燃料低压预混火焰的实验和动力学模型研究[D];中国科学技术大学;2010年

6 曹红加;预混火焰燃烧不稳定性及其主动控制[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2004年

7 周忠岳;宽压力层流预混火焰实验平台研制[D];中国科学技术大学;2012年

8 喻健良;预混火焰在微小通道中传播和淬熄的研究[D];大连理工大学;2008年

9 沈晓波;密闭空间内典型可燃气体层流预混火焰传播动力学及其化学反应机理研究[D];中国科学技术大学;2014年

10 颜蓓蓓;低热值燃气预混火焰燃烧机理研究[D];天津大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 穆克进;射流剪切层及相关预混火焰的被动控制[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2006年

2 田雪沁;加压近极限层流预混火焰的熄灭特性研究[D];清华大学;2011年

3 段润泽;预混火焰热声不稳定性研究[D];河北工业大学;2011年

4 赵涛;惰性气体对管道内预混火焰淬熄的研究[D];大连理工大学;2009年

5 胡勇;湍流非预混火焰结构的多维条件矩封闭数值模拟[D];中国科学技术大学;2011年

6 胡春明;预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究[D];大连理工大学;2006年

7 曾科;负压下层流预混火焰结构与不稳定性研究[D];国防科学技术大学;2012年

8 陈明;管道内甲烷/空气预混火焰加速传播机理研究[D];武汉理工大学;2010年

9 汪延鹏;涡团耗散模型A值对模拟精度的影响[D];厦门大学;2014年

10 朱秉森;磁场对层流预混火焰及氮氧化物生成特性的影响[D];内蒙古科技大学;2014年

，

本文编号：1029510