湍流燃烧大涡模拟中的改进代数二阶矩燃烧模型研究

发布时间：2017-08-13 23:02

  本文关键词：湍流燃烧大涡模拟中的改进代数二阶矩燃烧模型研究

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【摘要】：湍流燃烧过程存在于工业应用的各种燃烧器中。受限于实际燃烧设备的复杂结构和不完善的测量技术,依靠实验手段往往不能完全揭示燃烧器内部的流动燃烧过程。随着计算机技术的发展,数值模拟方法能够花费较少的时间和财物成本并得到详细的流场数据,成为燃烧设备设计过程中的重要辅助手段。大涡模拟(LES)能够捕捉到燃烧流场内主要涡团的运动过程,预测出燃烧设备内部的动态燃烧过程,将其作为辅助设计手段将有益于了解燃烧过程的内部特征并显著推进设计进程。本论文围绕燃气轮机燃烧室开展了湍流燃烧的大涡模拟研究。湍流燃烧大涡模拟中的亚网格应力模型及亚网格输运模型已发展较为完善,而由于燃烧过程涉及到复杂的物理化学耦合过程,适用于燃烧室大涡模拟的燃烧模型一直受到研究者们的关注。本文聚焦适用于真实燃烧室大涡模拟的燃烧模型研究,开发了改进的代数二阶矩模型(MASOM),并将此模型进行了验证与应用。MASOM模型从二阶矩模型发展而来,继承了原模型考虑亚网格尺度内湍流脉动对化学反应速率影响的优点,并对亚网格化学反应速率的计算式进行改进,消除了原模型中存在的人为给定参数的影响。而且,MASOM模型进一步考虑了亚网格尺度内混合过程对化学反应速率计算的影响,期望预测出准确的化学反应速率。首先,MASOM模型被应用在几个具有燃烧室典型特征的实验室火焰的大涡模拟研究中。这些实验室火焰具有丰富的实验数据,一方面能为模型的验证提供对比数据,另外,这些实验室火焰的影响因素较少,便于更集中地对燃烧过程中的特定流动燃烧特征进行研究分析。MASOM模型被应用在射流扩散火焰的数值模拟研究中。射流则是燃烧室中的一种重要流动方式。为了快速验证模型的合理性,课题第一步先将MASOM模型应用于射流扩散火焰的雷诺平均模拟中,并将模拟结果同原二阶矩模型和有限速率／涡破碎模型的模拟结果进行对比,结果显示MASOM模型能够得到与实验更相符的结果。MASOM模型进而应用在了射流扩散火焰的大涡模拟中。模拟结果显示MASOM模型考虑了亚网格尺度内温度和组分的湍流脉动对化学反应速率的影响,相比涡耗散概念模型得到了更集中的化学反应区域,从而使得模拟得到的各参数分布与实验值更符合,这证实了亚网格化学反应速率计算的合理性。MASOM模型被应用在高温烟气伴流抬升火焰的大涡模拟研究中。燃烧室往往使用高温烟气回流进行稳焰,而在实验室中此过程可由高温烟气伴流进行模拟。在采用经典的甲烷一步总包机理时,MASOM模型预测出火焰抬升的现象。虽然预测的抬升高度较低,但相比涡耗散概念模型,其模拟结果更符合实验现象。研究进一步考虑当量比的影响对甲烷一步总包机理进行了改进,并应用于采用MASOM模型的大涡模拟中。模拟准确预测了火焰抬升高度以及燃烧场内各参数分布,相比于稳态火焰面类模型得到的模拟结果更符合实验值。采用MASOM模型和改进的机理,大涡模拟预测出火焰抬升高度随着燃料射流速度提高而升高,随着伴流温度的提高而降低的变化趋势。MASOM模型被应用在旋流预混燃烧器的大涡模拟研究中。旋流预混燃烧是先进燃气轮机经常采用的燃烧方式之一。此模拟工作进一步采用了甲烷的两步简化反应机理。相对于局部搅拌反应器模型,MASOM模型得到了与实验数据更相符的速度、温度及组分质量分数分布。MASOM模型对多步简化机理的适用性和对旋流预混燃烧模拟的准确性首次得到验证。基于模拟得到的详细数据,研究对旋流贫预混燃烧中的燃烧特征进行了分析。模拟结果显示,燃烧过程会消除冷态流动工况中出现的旋进涡结构,并且能够向湍流流动提供能量使湍流涡团不致快速耗散。在入口预混气的当量比发生扰动时,火焰面会出现明显的响应过程,流场内湍流强度被显著增强。入口当量比扰动的频率越低,扰动对火焰影响越明显。扰动的振幅越高,扰动的影响也越明显,但是相比频率的变化此影响较小。最后,MASOM模型被应用在真实燃烧室的大涡模拟中,对阵列驻涡燃烧室开展了研究分析。为了减少模拟计算量,课题采用了分段模拟方法,将阵列驻涡喷嘴出口处的流动特征和温度组分分布的动态数据作为燃烧室模拟区域的入口边界,保留了喷嘴中湍流流动特征。采用MASOM模型及甲烷的两步简化反应机理能够预测出较准确的阵列驻涡燃烧室出口温度和火焰长度,模拟出阵列驻涡燃烧室中的火焰面特征。MASOM模型在真实燃气轮机燃烧室的模拟研究中的适用性得到验证。应用MASOM模型,大涡模拟预测出了阵列驻涡燃烧室内的在不同当量比工况中的燃烧特征。
【关键词】：湍流燃烧 大涡模拟 改进的代数二阶矩模型 抬升火焰 旋流预混火焰 阵列驻涡燃烧室
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-28
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.1.1 湍流燃烧数值模拟的研究意义16-17
• 1.1.2 湍流燃烧数值模拟方法17-18
• 1.2 大涡模拟燃烧模型研究背景18-24
• 1.2.1 有限速率类模型21-23
• 1.2.2 火焰面类模型23-24
• 1.2.3 燃烧模型对比研究24
• 1.3 燃烧室大涡模拟研究背景24-26
• 1.4 课题研究内容及研究目的26-28
• 第2章 大涡模拟方法及改进的代数二阶矩模型28-44
• 2.1 大涡模拟控制方程28-32
• 2.1.1 燃烧流场控制方程28-30
• 2.1.2 过滤后的控制方程30-32
• 2.2 亚网格应力模型和亚网格输运模型32-36
• 2.2.1 亚网格应力模型32-34
• 2.2.2 亚网格输运模型34-36
• 2.3 改进的代数二阶矩模型36-44
• 2.3.1 经典二阶矩模型37-39
• 2.3.2 改进的代数二阶矩模型推导39-42
• 2.3.3 改进的代数二阶矩模型特点42-44
• 第3章 射流扩散火焰数值模拟中MASOM模型验证44-62
• 3.1 Flame-D雷诺平均模拟中的MASOM模型45-53
• 3.1.1 网格划分和边界条件45-47
• 3.1.2 数值模拟方法47-49
• 3.1.3 模拟结果与讨论49-53
• 3.2 Flame-D大涡模拟中的MASOM模型53-61
• 3.2.1 数值方法54-55
• 3.2.2 模拟结果与讨论55-61
• 3.3 本章总结61-62
• 第4章 甲烷/空气抬升火焰大涡模拟62-82
• 4.1 MASOM模型与EDC模型模拟对比64-65
• 4.1.1 数值方法64
• 4.1.2 模拟结果及讨论64-65
• 4.2 改进的甲烷一步总包反应机理65-72
• 4.2.1 改进的甲烷一步总包反应机理65-68
• 4.2.2 模拟结果及讨论68-72
• 4.3 MASOM模型与FPV模型模拟对比72-76
• 4.3.1 FPV模型72-75
• 4.3.2 模拟结果及讨论75-76
• 4.4 不同工况条件对火焰抬升高度的影响76-80
• 4.4.1 模拟工况76-77
• 4.4.2 模拟结果及讨论77-80
• 4.5 本章总结80-82
• 第5章 旋流预混燃烧大涡模拟82-114
• 5.1 冷态流动模拟结果83-88
• 5.1.1 模拟区域及数值方法83-85
• 5.1.2 模拟结果及讨论85-88
• 5.2 MASOM模型和PaSR模型模拟结果对比88-93
• 5.2.1 PaSR模型88
• 5.2.2 甲烷的两步简化反应机理88-89
• 5.2.3 模拟结果及讨论89-93
• 5.3 燃烧过程对湍流流场的影响93-98
• 5.3.1 速度分布93-95
• 5.3.2 湍流能谱分析95-96
• 5.3.3 空间关联函数分析96-98
• 5.4 入口当量比扰动对燃烧过程的影响98-112
• 5.4.1 研究背景98-99
• 5.4.2 数值方法99-101
• 5.4.3 模拟结果及讨论101-112
• 5.5 本章总结112-114
• 第6章 阵列驻涡燃烧室大涡模拟114-132
• 6.1 燃烧室分段模拟方法116-124
• 6.1.1 分段模拟方法116-120
• 6.1.2 模拟结果120-124
• 6.2 火焰筒部分大涡模拟124-131
• 6.2.1 数值方法124
• 6.2.2 模拟结果及讨论124-131
• 6.3 本章总结131-132
• 第7章 结论与展望132-136
• 7.1 结论132-133
• 7.2 研究创新点133-134
• 7.3 工作展望134-136
• 符号表136-138
• 参考文献138-148
• 攻读博士学位期间发表的论文148-150
• 致谢150

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本文编号：669430