復(fù)雜多相湍流燃燒的直接數(shù)值模擬.pdf

1、燃燒是現(xiàn)代社會獲取能量的主要方式，同時也帶來了嚴重的環(huán)境問題。為了優(yōu)化燃燒裝置的設(shè)計，提高燃燒效率，減少污染物排放，我們需要深入地了解多相湍流燃燒中的多場、多尺度耦合作用，準(zhǔn)確地預(yù)測湍流燃燒過程。在這樣的背景下，本論文發(fā)展了多相燃燒直接數(shù)值模擬程序，研究了復(fù)雜多相湍流燃燒中的基礎(chǔ)問題，研究內(nèi)容涉及氣相湍流燃燒、液霧湍流燃燒和煤粉湍流燃燒。建立了單相和多相湍流燃燒的直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫，為理解復(fù)雜多相湍流燃燒中的湍流、燃燒和顆粒相互作用和發(fā)

2、展多相湍流燃燒相關(guān)模型提供了數(shù)據(jù)支持。
　　在氣相湍流燃燒的研究方面，首先對實驗室尺度的H2/N2湍流抬升火焰進行了直接數(shù)值模擬。為了驗證程序的準(zhǔn)確性，對直接數(shù)值模擬和實驗測量結(jié)果進行了廣泛的對比，發(fā)現(xiàn)不同標(biāo)量的模擬結(jié)果都與實驗結(jié)果吻合得很好。對空間發(fā)展的H2/air旋流預(yù)混火焰進行了直接數(shù)值模擬研究，探討了燃燒與湍流渦結(jié)構(gòu)的相互影響。研究了空間發(fā)展旋流火焰中的優(yōu)先擴散效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在平面火焰中觀察到的優(yōu)先擴散效應(yīng)在旋流預(yù)混火焰中被抑

3、制了。還對各向同性湍流中自由傳播H2/air預(yù)混火焰進行了直接數(shù)值模擬研究，重點討論了不同構(gòu)造火焰中的燃燒特性和平均化學(xué)反應(yīng)源項的封閉模型。
　　在液霧湍流燃燒的研究方面，對各向同性湍流中的液霧蒸發(fā)和燃燒特性進行了直接數(shù)值模擬。研究表明歸一化液滴直徑平方的平均值隨時間線性遞減，這與d2定律是一致的。湍流有利于液滴蒸發(fā);液滴的尺寸主要影響蒸發(fā)速率和液滴的壽命。條件平均蒸發(fā)速率在混合分數(shù)空間是線性變化的。與氣相燃燒類似，液霧燃燒的著火

4、通常發(fā)生在低標(biāo)量耗散率區(qū)域。用log-normal分布來預(yù)測標(biāo)量耗散率的分布，得到了較好的結(jié)果。最后，用預(yù)混燃燒份額因子分析了液霧燃燒中預(yù)混和非預(yù)混燃燒的份額。
　　在煤粉湍流燃燒的研究方面，對高溫伴隨流中的煤粉射流火焰進行了直接數(shù)值模擬。綜合考慮了煤粉顆粒燃燒的各個子模型，采用甲烷的五組分兩步反應(yīng)機理來描述揮發(fā)分的均相燃燒。直接數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進行了部分的驗證，對比了煤粉顆粒速度在軸線上的分布，得到了定性吻合的結(jié)果。直接數(shù)

5、值模擬結(jié)果表明上游燃燒特性跟下游有顯著的差別。上游區(qū)域的反應(yīng)速率較為分散，在燃燒核心內(nèi)部可以發(fā)現(xiàn)單個煤粉顆粒。到了下游區(qū)域反應(yīng)速率更加連續(xù)，其中包含了大量的顆粒，這些都是群燃燒的特征。
　　對預(yù)混、非預(yù)混及多相湍流燃燒中的條件矩封閉(CMC)封閉模型開展了系統(tǒng)的研究。驗證了混合分數(shù)/過程變量的假定PDF模型，采用AMC模型模擬條件平均標(biāo)量耗散率，線性模型模擬條件平均速度，梯度擴散模型模擬條件平均湍流通量。對液霧燃燒中的條件平均蒸發(fā)