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燃烧化学机理简化及甲烷湍射流火焰的直接数值模拟研究

吕钰  
【摘要】:燃烧是能源及动力工程领域一种最基本的能量转化方式,在各类动力设备中,比如锅炉燃烧器及炉堂,燃气轮机,内燃机和航空发动机等,都有广泛的应用。但是,在这些应用中燃烧几乎全部伴随着湍流,湍流使工程中的燃烧问题变得十分复杂。在扩散火焰中湍流对燃料与氧化剂的混合产生影响,而在预混火焰中湍流则会改变火焰的传播速度。对湍流燃烧现象进行深入研究,是对各类动力设备进行设计和改造,提高燃烧效率,降低污染排放的前提。 本文的研究重心在于利用直接数值模拟手段,对不同火焰中的湍流与燃烧的相互作用微观机理进行研究,以期通过对该机理的深入理解发展新的湍流燃烧模型,最终为工程实践提供指导。直接数值模拟,是近几年才发展起来的一种湍流模拟手段,它能在不引入任何模型误差的情况下完整的记录湍流信息。将其与化学反应相结合,可以详细的模拟湍流燃烧过程,并记录湍流与火焰的相互作用。本文的主要工作就是围绕该模拟方法展开的,而主要针对的是工程中常见的甲烷射流火焰。 为了提高直接数值模拟的计算效率,本文首先在反应流化学机理简化方面进行了一定的研究,结合与NOx相关的反应机理,阐释了化学机理简化的方法和步骤。然后,对贫燃的甲烷预混火焰进行了直接数值模拟,深入的探讨了涡团所引起的弯曲,拉伸,挤压及应力大小等作用对预混火焰面及燃烧放热的影响,并用概率密度PDF方法阐释了对各种作用之间关系,在国内学者中取得了好评。 接着,利用三维的直接数值模拟结合简化机理,对带伴流的甲烷/空气扩散火焰进行了数值研究。详细的记录了燃料与氧化剂的混合着火过程,并研究了湍流涡团对该过程的影响,本研究结果能为新的湍流非预混燃烧理论模型的提出作参考。


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