湍流稀液雾自点火过程的直接数值模拟研究

发布时间：2020-05-11 09:39

【摘要】：液雾自点火广泛存在于发动机和内燃机等多种燃烧装置中,涉及雾化、蒸发、混合以及化学反应等多个非线性过程的相互耦合。在实际发动机尤其是新型内燃机燃烧室中存在复杂的压力和温度工况,液雾两相流中的点火和燃烧过程常受到低温化学的重要影响,因此在液雾自点火中存在着复杂的湍流与液滴以及不同类型化学反应的相互作用。开展气液两相流自点火过程的基础研究,可以为提高燃烧设备的燃烧效率和燃烧稳定性、加强对着火过程控制以及降低污染排放提供理论指导。基于直接数值模拟方法(Direct numerical simulation,DNS),本文主要工作如下:(1)采用三维DNS和详细反应机理研究了正庚烷液雾在高温条件下的自点火过程。分析了液滴粒径和当量比对着火过程的影响,对着火过程中混合物分数和标量耗散率的统计规律进行了研究。结果表明最易着火混合物分数不随液滴粒径和当量比的变化而改变。当液滴粒径较大时,整体蒸发速率变慢,标量耗散率较大,点火延迟时间相对较长。另外随着液滴粒径的增大,体平均的放热速率所能达到的峰值逐渐下降。当量比增大时,整体蒸发速率较快,着火发生的更早。对混合物分数和标量耗散率的统计研究发现,最易着火混合物分数与标量耗散率的联合概率密度函数的发展与点火延迟时间具有密切的联系。(2)首次采用三维DNS和详细反应机理研究了高温条件下的正十二烷液雾自点火过程,液滴初始分布在计算域的内部夹层里。对温度、放热速率、标量耗散率等参数在物理空间和混合物分数空间上的发展进行了详细分析,并首次研究了液滴初始温度对蒸发和着火过程以及燃烧机制的影响。定量分析了几种典型的放热指标在液雾两相流燃烧中的表现,发现在不同混合物分数条件下放热指标与放热速率存在两种近似线性关系,并通过对基元反应的分析对这种现象进行了解释。(3)结合零维、一维和二维DNS计算,首次研究了液雾两相流在低温条件下的自点火过程,详细分析了第一阶段着火的产生、冷焰的传播及其对第二阶段着火和燃烧机制的影响。研究发现第二阶段着火位置与冷焰传播过程息息相关,不同的流场由于其冷焰传播过程有一定的差别,则第二阶段着火核对应的混合物分数位置也是不固定的,即最易着火混合物分数在初始低温条件下不再存在。湍流混合和冷焰传播会大大降低流场中的燃料分层和温度分层,因此相比于第一阶段,第二阶段的着火核的长度尺度更大,另外,第二阶段着火过程中自点火模式所占比例更高。(4)结合零维和二维DNS研究了不同初始温度条件下的正十二烷液雾自点火过程,发现了不同温度下液雾自点火的两种类型:·当初始温度较低时,整个流场混合气体都会受到低温反应的影响。在流场中首先出现第一阶段着火,然后冷焰向混合物分数较大的区域传播。第二阶段着火在冷焰传播过后的区域发生,在火焰传播过程中存在冷焰与热焰的相互作用。·当初始温度较高时,只在靠近液滴富燃程度较高的区域发生第一阶段着火,而在混合物分数较小的区域不受低温化学的影响,只发生单阶段着火。在火焰传播过程中存在着强烈的热焰与冷焰及液滴的相互作用。采用Budget分析方法研究了液雾自点火过程中的火焰结构,发现在液雾自点火中存在着多种燃烧模式,如冷焰和热焰、预混火焰和扩散火焰、贫燃火焰和富燃火焰、单液滴火焰和液滴群火焰、爆燃和自点火等。因此,在发展液雾自点火的燃烧模型时需考虑到这些燃烧机制的存在。另外,对于第二种着火类型,流场中燃料和空气的混合程度较低并且火焰传播过程中冷焰会造成热焰的熄灭,不利于实际燃机中的火焰传播与完全燃烧。
【图文】：

正庚烷,压力范围,研究者,液滴

对于单液滴着火，研究者在微重力条件下做了大量的实验和数值模拟工作。逡逑Ｔａｎａｂｅ等（Ｔａｎａｂｅ邋ｅｔａｌ．，１９９６）首次实验研宄了单液滴的两阶段着火过程，在温度逡逑－压力图上标示了不同条件下的着火机制，如图１．３所示，，并发现第一阶段点火逡逑延迟时间随粒径的增大而变大，但第二阶段点火延迟时间基本不受粒径变化的影逡逑响。Ｂｏｕａｌｉ等人（Ｂｏｕａｌｉ邋ｅｔａｌ．，２０１２）将单液滴着火简化为零维问题，指出在单液逡逑滴着火过程中，液滴的作用主要体现在蒸发所引起的温度分层和燃料分层，且压逡逑力的影响比较大。计算结果表明压强的变化会导致ＮＴＣ温度范围的改变，并有逡逑从邋ＮＴＣ邋向邋ＺＴＣ邋（Ｚｅｒｏ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特征转化的趋势。逡逑文献（Ｓｃｈｎａｕｂｅｌｔ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０００；邋Ｙａｎｇ邋ａｎｄ邋Ｗｏｎｇ，邋２００３；邋Ｃｕｏｃｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１５；逡逑Ｂｏｒｇｈｅｓｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｓｔｏｒａｋｏｓ，邋２０１５）对微重力条件下单液滴在不同温度范围内的自点逡逑火过程进行了简化一维计算，详细分析了在物理空间和混合物分数空间的两阶段逡逑着火和火焰传播过程

火焰结构,大涡模拟

逦ｉｏ．ｃ逡逑ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋｛ＭＰａ］逡逑图１．邋３微重力条件下正庚烷液滴在不同温度压力范围内的着火机制（Ｔａｎａｂｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋１９９６）逡逑对于单液滴着火，研究者在微重力条件下做了大量的实验和数值模拟工作。逡逑Ｔａｎａｂｅ等（Ｔａｎａｂｅ邋ｅｔａｌ．，１９９６）首次实验研宄了单液滴的两阶段着火过程，在温度逡逑－压力图上标示了不同条件下的着火机制，如图１．３所示，并发现第一阶段点火逡逑延迟时间随粒径的增大而变大，但第二阶段点火延迟时间基本不受粒径变化的影逡逑响。Ｂｏｕａｌｉ等人（Ｂｏｕａｌｉ邋ｅｔａｌ．，２０１２）将单液滴着火简化为零维问题，指出在单液逡逑滴着火过程中，液滴的作用主要体现在蒸发所引起的温度分层和燃料分层，且压逡逑力的影响比较大。计算结果表明压强的变化会导致ＮＴＣ温度范围的改变，并有逡逑从邋ＮＴＣ邋向邋ＺＴＣ邋（Ｚｅｒｏ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特征转化的趋势。逡逑文献（Ｓｃｈｎａｕｂｅｌｔ邋ｅｔ邋ａｌ．
【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】：2018
【分类号】：TK16

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