近臨界流體射流和鈍體穩(wěn)焰燃燒不穩(wěn)定性的數(shù)值研究.pdf

1、燃燒器中燃料和氧化劑的摻混特性和燃燒不穩(wěn)定性是兩個(gè)重要的問題，燃料與氧化劑良好的摻混是提高燃燒效率的首要條件，穩(wěn)定的燃燒對(duì)于保持燃燒器工作的持續(xù)性和安全性至關(guān)重要。本文通過數(shù)值模擬對(duì)射流的混合特性和鈍體穩(wěn)焰預(yù)混燃燒不穩(wěn)定性兩個(gè)問題做了詳細(xì)研究，并針對(duì)模擬問題的特殊要求發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)值方法。
　　 在高壓燃燒器(如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī))中，燃料由液體狀態(tài)(亞臨界)噴射進(jìn)入高溫高壓(超臨界)環(huán)境的燃燒室。燃料由亞臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀

2、態(tài)的過程中，臨界點(diǎn)附近物性會(huì)發(fā)生劇烈的變化，比如急劇增長的熱膨脹系數(shù)和可壓縮系數(shù)、快速變大的等壓比熱和變?nèi)醯臒釘U(kuò)散性等。這種物性的劇變對(duì)于流體的流動(dòng)特性有著重要的影響，導(dǎo)致其異于常態(tài)流體的流動(dòng)現(xiàn)象和摻混機(jī)理。同時(shí)，這對(duì)數(shù)值方法尤其是邊界條件的處理也提出新的挑戰(zhàn)。為了研究近臨界流體劇烈的物性變化對(duì)流動(dòng)和摻混的影響，本文采用盡可能準(zhǔn)確的真實(shí)流體狀態(tài)方程、物性模擬方法和數(shù)值計(jì)算方法，并基于特征方法和預(yù)處理方法發(fā)展了適用于全流體狀態(tài)和全流動(dòng)速度

3、范圍的邊界條件處理方法，通過多個(gè)典型算例對(duì)該方法做出嚴(yán)格的驗(yàn)證。即使流場內(nèi)流動(dòng)變化復(fù)雜劇烈，該方法可以保證在邊界處也不發(fā)生明顯的非物理波反射和流場扭曲，使邊界條件對(duì)內(nèi)部流場的非物理干擾降低到可以忽略的水平。另外，該方法相對(duì)于簡單的邊界處理方法提高了計(jì)算效率。
　　 為了研究近臨界流體射流流動(dòng)中劇烈變化物性的影響，本文模擬了低溫高密度、中性(入射流體和初始流場流體密度相同)和高溫低密度流體射流，通過近臨界流體射流和理想氣體射流的比

4、較分析，揭示了近臨界流體射流的獨(dú)特機(jī)理。在中性射流情況下，相對(duì)于理想氣體射流，近臨界流體射流中斜壓效應(yīng)和體積膨脹效應(yīng)具有明顯的影響。這兩種效應(yīng)使得近臨界流體射流更不穩(wěn)定，加速了射流流體和周圍流體的混合。在低溫高密度射流情況下，近臨界流體的弱熱擴(kuò)散性使射流流體和環(huán)境流體之間形成較大的密度分層，使剪切層更加穩(wěn)定，從而抑制了射流的發(fā)展和流體間的混合。高溫低密度射流情況下，近臨界流體射流和理想氣體射流的演化和發(fā)展情況基本相近，這是由于低密度射流

5、表現(xiàn)出來的穩(wěn)定性不再像前面兩種射流受剪切層的控制，而是一種與射流尺寸和密度比相關(guān)的絕對(duì)不穩(wěn)定性。
　　 鈍體穩(wěn)焰是一種廣泛應(yīng)用于燃燒器中的穩(wěn)焰方法，如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室和工業(yè)燃燒爐等。本文采用大渦模擬方法結(jié)合level-set火焰片湍流燃燒模型，對(duì)鈍體穩(wěn)焰器中貧燃預(yù)混燃燒不穩(wěn)定性的形成機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的研究。詳細(xì)分析了燃燒流動(dòng)和冷態(tài)流動(dòng)的不同流場結(jié)構(gòu)，闡明了相關(guān)的流動(dòng)機(jī)理。通過調(diào)節(jié)入口邊界聲學(xué)條件改變?nèi)紵髀晫W(xué)環(huán)境，模擬了