基于详细化学建表方法的湍流气相燃烧大涡模拟研究

发布时间：2020-05-16 22:32

【摘要】：燃烧作为重要的能源转化方式,在当今社会的能源结构中占有至关重要的地位。在实际燃烧设备中,如燃气轮机、航空发动机、内燃机、工业炉等,其中的燃烧形式在大部分情况下均为湍流燃烧。湍流燃烧耦合了两大复杂物理化学问题,一是多尺度的湍流问题、二是多尺度的燃烧问题,将很大程度决定着燃烧设备的工作效率、污染物排放,甚至能否安全稳定运行。优化燃烧器设计、合理组织燃烧方式均有赖于数值模拟的开展。大涡模拟(large eddy simulation,LES)通过过滤操作精确求解大尺度结构,而小尺度信息采用模型模化,是模拟湍流燃烧的常用手段。但在湍流燃烧的大涡模拟中有两个问题需特别注意:一是如何在大涡模拟网格尺度下捕捉厚度较薄的火焰结构;二是如何考虑详细化学反应机理的影响。解决上述问题均需引入亚网格(sub-grid scale,SGS)燃烧模型,因此亚网格燃烧模型是直接影响湍流燃烧大涡模拟质量的重要因素。本文通过开展若干典型湍流燃烧过程的大涡模拟研究,包括湍流预混/分层火焰、湍流非预混火焰、湍流MILD燃烧等,旨在发展亚网格燃烧模型、分析湍流燃烧特性、探讨污染物排放的影响因素,主要工作和结论如下,(1)基于代数火焰面密度(flame surface density,FSD)模型耦合火焰面生成流形(flamelet generated manifolds,FGM)方法对Cambridge/Sandia系列火焰中的无旋预混(SwBl)及分层(SwB5)火焰进行大涡模拟研究。耦合模型(FSD-FGM)通过FSD模型描述湍流与火焰的相互作用,同时通过FGM方法确定燃烧场的主要标量信息。统计结果表明FSD-FGM模型可正确描述预混/分层火焰的矢量及标量的变化。从SwB5分层火焰的当量比、定向角概率密度分布可以分析,当地火焰在上游主要属于预混燃烧模式,而在下游主要属于back-supported火焰模式。(2)采用加厚火焰(artificial thickened flame,ATF)模型耦合火焰面生成流形方法对湍流预混值班火焰——湍流本生灯火焰F3进行大涡模拟研究。基于层流火焰结构分析,耦合模型采用两种火焰指数分别追踪尺度不同的扩散过程与化学反应过程。除此之外,为避免假设湍流运动和火焰面变化平衡,采用动态皱褶因子模型表征湍流涡旋引起的火焰面面积变化,其对耦合模型的影响也在相应模拟中探讨。统计结果表明静态耦合模型可以准确预测F3火焰的速度、温度分布,但在组分信息预测方面仍需进一步提升。而动态耦合模型仅以计算耗时微弱增加为代价,在一定程度上可以改进下游火焰锋面内的温度分布预测结果及上游径向速度预测结果,这表明动态模型可以更好地保证预混火焰传播特性。(3)分别采用两种亚网格燃烧模型,即火焰面密度模型耦合火焰面生成流形方法、加厚火焰模型耦合火焰面生成流形方法(FSD-FGM、DTF-FGM)对Cambridge/Sandia系列火焰中的低旋流数中等分层(SwB6)及强分层(SwBl0)火焰进行大涡模拟。统计结果表明,DTF-FGM模型的表现更优,尽管其无法完美预测CO质量分数分布,但仍可以准确预测CO质量分数的峰值位置及大小。通过当地旋流数表征燃烧对湍流的影响,由于冷态工况中钝体产生的回流区长度较长且强度较大,在燃烧器出口至下游的一段区域内,其当地旋流数增大。而在分层火焰中,因受到长度较短且强度较弱的回流区及流场径向膨胀的共同影响,当地旋流数沿轴向方向减小。采用应变率的条件概率密度函数分布定性表征湍流对火焰锋面的作用。结果表明,针对本文研究的两个分层火焰,湍流对火焰锋面的作用主要以压缩效应为主。(4)采用火焰面生成流形方法耦合三种假定概率密度函数(presumed probability density function,PPDF)模型考虑湍流与火焰的相互作用,对Sandia系列湍流非预混火焰中的Flame D和E开展大涡模拟研究。除此之外,通过求解附加的NO输运方程模拟污染物NO的生成,并分析不同NO模型的差异。统计结果表明不同假定PDF均可合理描述湍流与火焰的相互作用,其之间的差别主要体现在模拟NO分布。ATF模型可用于模拟NO生成,但需要发展更合理的皱褶因子模型和火焰指数。由火焰数据的散点分布可得,Flame D和E的高温区及NO质量分数较大的区域均主要分布在当量混合线及富燃侧附近。但相比于Flame D,Flame E的局部熄火现象更加明显,同时相应的NO生成较少。两个火焰的NO质量分数在标量耗散率空间首先快速衰减,随后近似不变,其峰值主要集中在标量耗散率很小的区域。(5)选用两种典型的详细化学建表方法,即良搅拌反应器(perfectly stirred reactor,PSR)模型与均质封闭反应器(closed homogeneous batch reactor,AI)模型,耦合假定概率密度函数模型描述湍流与火焰的相互作用,对阿德莱德高温伴流射流火焰系列中的HM1火焰和HM3火焰开展大涡模拟研究。统计结果显示,对于本文研究的MILD燃烧,两个化学建表方法的结果相近,不同组分的最适假定概率密度函数存在不同。由Budget分析可得,HM3火焰基部主要以自点火过程为主,而在HM1火焰基部,混合过程和反应过程均有重要作用。HM3火焰和HM1火焰核心区内的NO分布规律大体相近,低氧含量的HM1火焰的NO质量分数比HM3火焰的NO质量分数小约一个量级,说明降低氧含量可以很好地减少NO生成。由物理量与NO质量分数的皮尔森相关系数可知,对于HM3火焰,混合物分数与温度对NO的影响程度相近;而对于HM1火焰,相比于温度,混合物分数与NO之间的关联度大大降低。
【图文】：

示意图,新安,燃气轮机,燃烧器

被誉为经典物理学里最难问题之一（Ｐ0ｐｅ，邋２００１），再引入燃烧过程的影响，使得逡逑开展湍流燃烧问题相关研宄挑战巨大。但同时显而易见，湍流燃烧过程将很大程逡逑度决定着燃烧设备的工作效率、污染物排放，甚至能否安全稳定运行（如图１．１逡逑所示），因此关于湍流燃烧问题的相关研究不可回避。湍流燃烧中包含诸多复杂逡逑科学问题，如揣流再层流化现象和燃烧诱导揣流现象（Ｌｉｐａｔｎｉｋｏｖ邋ａｎｄ邋Ｃｈｏｍｉａｋ，逡逑２０１０）、火焰驻定过程（Ｍｅａｒｅｓｅｔａｌ．，２０１５）、火焰传播过程（Ｆｒｉｅｓ邋ｅｔａｌ．，２０１９）、局部逡逑点火媳火现象（Ｚｈａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１７；邋Ｚｈａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１９）、火焰吹媳现象（Ｍａ邋ｅｔ邋ａｌ．，逡逑２０１９）、火焰措皱现象、火焰热声不稳定性（Ｈａｎ邋ａｎｄ邋Ｍｏｒｇａｎｓ，，邋２０１５）等。上述每一逡逑个现象或物理过程均值得开展细致研究。逡逑图１．１燃气轮机燃烧器示意图，左：己损坏，右：新安装。图片来自（Ｒａｓｈｗａｎ邋ｅｔ逡逑ａｌ．，邋２０１６）逡逑１逡逑

有焰燃烧,无焰燃烧,图片,火焰

其中火焰主要可以划分为预混火焰和非预混（扩散）火焰，而无火焰燃烧形逡逑式包括邋ＭＩＬＤ邋（ｍｏｄｅｒａｔｅ邋ｏｒ邋ｉｎｔｅｎｓｅ邋ｌｏｗ－ｏｘｙｇｅｎ邋ｄｉｌｕｔｉｏｎ）燃烧（李鹏飞，２０１３）等，逡逑两种燃烧形式的区别如图１．２所示。逡逑：邋ｆ：；逦Ｗ逡逑图１．２有焰燃烧（左）和无焰燃烧（右）对比，图片来自（Ｌｉ邋ｅｔａｌ．，邋２０１１）逡逑顾名思义，预混燃烧的特点是，在化学反应发生之前，燃料与氧化剂在分子逡逑层面上己经完全混合。预混火焰结构包括预热区和反应区，主要靠化学反应与热逡逑量、质量扩散之间的动态平衡维持，其中反应区的厚度更薄。表征预混火焰的重逡逑要参数包括？．火焰厚度和火焰速度等，对于这类多尺度问题，火焰厚度和火焰速逡逑度具有多种定义，其中基于温度定义的火焰热厚度（ｔｈｅｒｍａｌ邋ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）通常是划逡逑分网格的依据（Ｐｏｉｎｓｏｔ邋ａｎｄ邋Ｖｅｙｎａｎｔｅ，２００５）。火焰速度是指火焰沿自身法向方向向逡逑反应物传播的速度
【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】：2019
【分类号】：TK16

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