考虑详细化学反应机理的动态二阶矩湍流燃烧模型研究

摘要

燃烧是现代社会获取能量的主要方式，燃烧在工程应用中十分广泛，如内燃机，燃气轮机，电站锅炉等。当前越来越多的学者使用大涡模拟来研究湍流燃烧问题。研究表明，在实际的燃烧器中，有可能同时存在着多种模式的燃烧，同时在传统的预混火焰和扩散火焰中都存在预混和非预混燃烧。目前大部分燃烧模型都不能对此火焰进行很好地预测和计算。针对此问题，课题组前期提出并发展了动态二阶矩湍流燃烧模型。为了进一步完善该模型，本文在单步动态二阶矩湍流燃烧模型的基础上发展了应用详细化学反应机理的动态二阶矩模型，并将其应用于更复杂的预混火焰和多种燃烧模式共存的非预混火焰中，验证了新模型对预混火焰和多种燃烧模式共存非预混火焰的适用性，研究了火焰结构及火焰与湍流的相互作用，加深了对湍流燃烧的理解。
　　第一部分对适用于详细化学反应机理的动态二阶矩湍流燃烧模型进行了数学理论推导。针对不同组分个数的基元反应，对应用详细化学反应机理动态二阶矩模型的未封闭“二阶项”输运方程进行了推导，类比雷诺应力模型对输运方程进行了简化，采用了亚网格动态格式计算未封闭项的系数，完善了动态二阶矩模型，为考虑详细化学反应的动态二阶矩模型的大涡模拟程序编写打下了理论基础。
　　第二部分研究了考虑详细化学反应机理的动态二阶矩湍流燃烧模型对预混火焰预测的准确性和适用性。考虑甲烷的多步反应机理，将动态二阶矩湍流燃烧模型应用于甲烷贫燃预混值班火焰中，对不同入口速度的预混火焰的速度场、温度场和组分场与实验结果进行对比分析。通过对比发现，应用动态二阶矩湍流燃烧模型计算结果与实验值吻合得较好，且能很准确地捕捉火焰的结构，说明了动态二阶矩湍流燃烧模型对预混火焰能进行比较准确地预测。
　　第三部分研究了考虑详细化学反应的动态二阶矩湍流燃烧模型对多种燃烧模式共存火焰预测的准确性和适用性，分析其火焰的结构特征。考虑甲烷的多步反应机理，将动态二阶矩湍流燃烧模型应用于非均匀入口的悉尼甲烷值班火焰中，通过与实验数据进行对比，检验动态二阶矩湍流燃烧模型对多种燃烧模式共存燃烧火焰的适用性，分析非均匀入口条件下火焰的结构。结果表明，火焰在x/D=1和x/D=5的位置温度梯度较大处和混合分数梯度较大处不在同一位置，这与均匀燃烧火焰的温度和混合分数梯度较大处均在主射流边界的反应剪切层不同；在x/D=15下游火焰存在局部熄火，在动态二阶矩湍流燃烧模型中也能预测局部熄火现象；随着入口速度增大，火焰局部熄火发生的概率增大。

目录

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致谢

术语表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 湍流燃烧数值模拟研究进展

1.3 湍流燃烧模型研究进展

1.4 本文的研究内容

第二章 多步动态二阶矩湍流燃烧模型

2.1 控制方程

2.2 基本概念

2.3 数值方法

2.4 动态二阶矩湍流燃烧模型

2.5本章小结

第三章 值班预混火焰的大涡模拟

3.1 值班预混射流燃烧器(PPJB)介绍

3.2 数理模型

3.3 实验对比结果

3.4 瞬态火焰结构

3.5 本章小结

第四章 非均匀入口非预混火焰的大涡模拟

4.1 悉尼燃烧器介绍

4.2 数理模型

4.3 实验对比验证

4.4 瞬态火焰结构

4.5 局部熄火研究

4.6 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 本文研究的创新点

5.3 工作展望

参考文献

作者简历