湍流預(yù)混和分層燃燒中亞格子模型研究及其在大渦模擬中的應(yīng)用.pdf

1、低污染物排放的燃燒室設(shè)計要求促進(jìn)了貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用。與非預(yù)混燃燒相比，貧燃預(yù)混燃燒能夠降低燃燒室內(nèi)峰值溫度，進(jìn)而有效降低NOx排放。在實際燃燒室內(nèi)，空間和時間的約束影響了燃料和氧化劑之間的預(yù)混程度，導(dǎo)致預(yù)混氣體的當(dāng)量比在空間呈現(xiàn)梯度，進(jìn)而出現(xiàn)分層燃燒。為了有效預(yù)測復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)、燃燒過程中非定常現(xiàn)象以及湍流渦旋與火焰復(fù)雜的相互作用，大渦模擬方法得到了廣泛應(yīng)用。湍流燃燒大渦模擬的主要困難在于非線性的多尺度湍流和

2、多尺度化學(xué)反應(yīng)的相互耦合，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)源項模化及方程求解難度很大。本文緊緊圍繞湍流預(yù)混和分層火焰，發(fā)展了若干亞格子模型，并針對不同流場工況、不同駐定機(jī)制以及不同燃燒機(jī)制的若干典型湍流燃燒算例開展了大渦模擬研究。主要工作及創(chuàng)新點如下:
　　首先，對劍橋旋流燃燒器的冷態(tài)流場進(jìn)行了大渦模擬研究。大渦模擬統(tǒng)計結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好，驗證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。在燃燒器出口的剪切層附近，采用Q準(zhǔn)則識別了無旋流工況的環(huán)狀渦結(jié)構(gòu)和有旋流工況的螺旋渦

3、結(jié)構(gòu)?；诠β首V密度分析了渦旋脫落的發(fā)生，以及進(jìn)動渦核的存在導(dǎo)致流場的振蕩現(xiàn)象。采用三維本征正交分解提取了有旋流動中大尺度結(jié)構(gòu)，預(yù)測了多種流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，包括渦旋脫落、進(jìn)動渦核和鈍體回流區(qū)末端的不穩(wěn)定性。
　　其次，基于詳細(xì)化學(xué)建表結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞格子模型，對高Karlovitz數(shù)的值班預(yù)混射流火焰開展了大渦模擬研究。采用自點火模型耦合預(yù)混火焰?zhèn)鞑ツＰ蜆?gòu)建詳細(xì)化學(xué)熱力學(xué)表。計算了不同未燃?xì)怏w溫度條件下一維非穩(wěn)態(tài)的層流預(yù)混火

4、焰，對耦合建表方法預(yù)測化學(xué)熱力學(xué)狀態(tài)的能力進(jìn)行了評估。使用假定概率密度函數(shù)考慮湍流和化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用，其中假定雙混合物分?jǐn)?shù)的概率密度分布為Dirichlet分布。探討了不同詳細(xì)化學(xué)建表方法和不同假定概率密度函數(shù)模型對計算結(jié)果的影響，然后分析了高Karlovitz數(shù)的值班預(yù)混射流火焰的流場結(jié)構(gòu)和火焰結(jié)構(gòu)。
　　再者，基于動態(tài)加厚火焰結(jié)合火焰面生成流形建表方法的亞格子模型(DTF-FGM)，對薄反應(yīng)機(jī)制下湍流預(yù)混和分層火焰開展了

5、大渦模擬研究。利用反應(yīng)進(jìn)度變量定義的火焰指數(shù)動態(tài)確定加厚因子，使得加厚過程限制在實際計算需要加厚的區(qū)域。針對湍流預(yù)混火焰，推導(dǎo)了DTF-FGM模型中特征標(biāo)量（混合物分?jǐn)?shù)和反應(yīng)進(jìn)度變量）及相應(yīng)亞格子方差的大渦模擬輸運(yùn)方程。針對湍流分層火焰，由于采用copula方法考慮了混合物分?jǐn)?shù)和反應(yīng)進(jìn)度變量之間的相關(guān)性，因此推導(dǎo)了DTF-FGM模型中協(xié)方差的大渦模擬輸運(yùn)方程。作為不同亞格子模型的比較，建立了火焰面生成流形建表方法結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞

6、格子模型(PPDF-FGM)。基于湍流預(yù)混火焰的計算結(jié)果，對DTF-FGM模型中重要參數(shù)，如皺褶因子、加厚因子和亞格子方差模型等進(jìn)行了敏感性分析。評估了DTF-FGM和PPDF-FGM模型預(yù)測薄反應(yīng)機(jī)制下湍流預(yù)混火焰和分層火焰結(jié)構(gòu)的能力，然后采用當(dāng)量比的概率密度分布，以及當(dāng)量比和反應(yīng)進(jìn)度變量之間定向角的概率密度分布研究了湍流分層火焰結(jié)構(gòu)。
　　最后，基于詳細(xì)化學(xué)建表結(jié)合假定概率密度函數(shù)的亞格子模型，對高溫伴流湍流抬舉火焰開展了大渦