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预混火焰与障碍物相互作用的研究

应展烽  
【摘要】: 燃烧导致的火灾事故,对现场人员的生命和公共财产的安全造成重大危胁。火灾现场所摆放的各种障碍物会使火焰形状、传播速度以及环境压力发生明显改变,因此研究火焰与障碍物作用,对降低灾害造成的损失而言是极其重要的。同时,该类研究还可为脉冲爆轰发动机(PDE)的研制提供理论基础。 本文首先对预混火焰翻越矩形柱、楔形柱、穿越回形柱及绕过方柱、圆柱、三角柱的过程进行了一系列实验研究,通过高速阴影相机获得了清晰的火焰序列照片,准确地记录了流场和火焰的变化过程。 接着本文利用大涡模拟(LES)并通过高精度五点TVD格式,对上述的实验过程进行了数值模拟。模拟中,亚网格应力模型采用Smagorinsky模型,化学反应项用旋涡破碎模型(EBU)封闭。由于方形燃烧室中,各障碍物固壁边界形状不同,故本文从动量方程出发,推导了适用于三维可压粘性流体中的沉浸网格法,并用其处理各种形状的边界问题。 根据实验和计算所得到的结果,详细的探讨了火焰与各种障碍物作用过程中出现的复杂现象。研究发现,燃烧膨胀会导致火焰阵面前的未燃气体产生流动。受诱导气体流动影响,火焰在与障碍物作用过程中,会出现不同程度变形。另外,火焰的失稳和燃烧室壁面的剪切层作用同样是火焰阵面变形的重要因素。若忽略燃烧室壁面附近边界层产生的涡后,流场中还有两类涡,一类为由燃烧导致的斜压效应产生,主要分布在火焰阵面上,另一类由火焰诱导的波前流动与各个障碍物形成的切变流场产生。通过对湍流强度分布的研究发现,随着火焰的传播,其阵面上的湍流逐渐加强。加速火焰还会诱导其前方的未燃气体湍流强度迅速增加,强湍流的未燃气体与火焰会产生正反馈作用。随着燃烧的进行,燃烧室内压力持续增长,火焰进入各柱体障碍通道后,压力增长尤为明显。绘制火焰传播轨迹图发现,尽管火焰与各种障碍物作用时,流场中湍流强度增加,但火焰的前向传播速度并不是始终增加的。


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