基于線性渦模型的部分預(yù)混燃燒大渦模擬研究.pdf

1、部分預(yù)混燃燒是介于預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒之間的一種新型燃燒模式，可有效避免過高壓力升高率、不充分燃燒以及嚴(yán)重的污染物排放，因此被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)低溫燃燒內(nèi)燃機(jī)中。由于部分預(yù)混燃燒的著火過程同時(shí)受到湍流混合和化學(xué)動(dòng)力學(xué)協(xié)同控制，著火機(jī)理尚不明確，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的燃燒相位難以控制，限制了部分預(yù)混燃燒的應(yīng)用范圍。本文采用大渦模擬手段研究了正庚烷噴霧的部分預(yù)混燃燒過程，重點(diǎn)關(guān)注不同熱力學(xué)邊界條件下的著火過程、亞網(wǎng)格尺度的反應(yīng)標(biāo)量波動(dòng)和部分預(yù)混燃燒火焰結(jié)

2、構(gòu)。
　　本文基于KIVA-3V平臺(tái)開發(fā)了大渦模擬計(jì)算程序，并納入線性渦模型，開展了兩相噴霧燃燒過程的研究，計(jì)算中無(wú)需引入任何假設(shè)即可適用于部分預(yù)混燃燒模式。線性渦模型通過在亞網(wǎng)格尺度上獨(dú)立地處理湍流擾動(dòng)、分子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞網(wǎng)格尺度反應(yīng)標(biāo)量波動(dòng)的定量化描述，并體現(xiàn)了湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用。此外，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)速率求解過程的并行化處理，顯著地提升了計(jì)算效率。通過美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的定容燃燒彈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算程序

3、得到了有效驗(yàn)證，較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了正庚烷噴霧燃燒的著火延遲和火焰形態(tài)等結(jié)果。
　　首先，在定容燃燒彈內(nèi)，全面研究了初始環(huán)境溫度、環(huán)境氧氣濃度、預(yù)噴射比例和主噴射時(shí)刻對(duì)著火延遲的影響規(guī)律，提出了定量描述油氣混合對(duì)著火過程影響程度的參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度和氧氣濃度越高，油氣混合對(duì)著火的影響越大，著火主要發(fā)生在預(yù)混較好的區(qū)域;反之，化學(xué)動(dòng)力學(xué)對(duì)著火的影響增強(qiáng)，著火主要發(fā)生在受蒸發(fā)吸熱影響較小的高溫區(qū)域。預(yù)噴射對(duì)著火的影響取決于預(yù)混混合氣的

4、化學(xué)反應(yīng)劇烈程度。預(yù)混比例較低時(shí)(20％)，化學(xué)反應(yīng)劇烈程度主要受持續(xù)時(shí)間的影響;而預(yù)混比例較高時(shí)(40％)，主要受環(huán)境溫度的影響。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)本質(zhì)上是發(fā)生在分子尺度之上，所以反應(yīng)標(biāo)量在小尺度上的均勻混合是著火的前提。不管熱力學(xué)邊界條件如何變化，著火主要發(fā)生在亞網(wǎng)格尺度溫度波動(dòng)較小（小于0.5％）的區(qū)域。
　　其次，研究了兩相噴霧燃燒中亞網(wǎng)格尺度溫度波動(dòng)和燃油組分濃度波動(dòng)的分布規(guī)律，分析了其主要來(lái)源以及對(duì)燃燒的影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，

5、忽略亞網(wǎng)格尺度溫度波動(dòng)導(dǎo)致預(yù)測(cè)的平均溫度偏高，證明了亞網(wǎng)格尺度標(biāo)量波動(dòng)的重要性。燃油蒸發(fā)吸熱和化學(xué)反應(yīng)是溫度波動(dòng)的主要來(lái)源。另一方面，高溫快速化學(xué)反應(yīng)提高了亞網(wǎng)格尺度湍流擾動(dòng)的頻率，有助于抹平亞網(wǎng)格尺度標(biāo)量場(chǎng)，使溫度波動(dòng)下降99％以上。因此，溫度波動(dòng)主要出現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)速率較低的區(qū)域。由于亞網(wǎng)格尺度溫度波動(dòng)是其它標(biāo)量波動(dòng)的系綜平均，所以溫度波動(dòng)的幅值（約3.5％）小于組分濃度標(biāo)量的波動(dòng)幅值（約4.5％）?；瘜W(xué)反應(yīng)過程造成中等程度(1.0％

6、～2.0％)的燃油組分濃度波動(dòng)。即使在均質(zhì)混合氣的自燃過程中，也會(huì)在隨機(jī)擾動(dòng)的作用下出現(xiàn)組分濃度的波動(dòng)。
　　最后，研究了兩相噴霧燃燒的火焰結(jié)構(gòu)及其對(duì)燃燒放熱和排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，噴霧燃燒中會(huì)出現(xiàn)預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰共存的現(xiàn)象，是一種典型的部分預(yù)混燃燒過程。熱力學(xué)邊界條件會(huì)影響預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰的比例關(guān)系。預(yù)混火焰的放熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于擴(kuò)散火焰的放熱率，總體放熱率由預(yù)混火焰主導(dǎo)，放熱率隨著火焰結(jié)構(gòu)的改變而變化。初始環(huán)境溫度和預(yù)噴射比例對(duì)