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基于线性涡模型的部分预混燃烧大涡模拟研究

肖刚  
【摘要】:部分预混燃烧是介于预混燃烧和非预混燃烧之间的一种新型燃烧模式,可有效避免过高压力升高率、不充分燃烧以及严重的污染物排放,因此被广泛应用于先进低温燃烧内燃机中。由于部分预混燃烧的着火过程同时受到湍流混合和化学动力学协同控制,着火机理尚不明确,导致内燃机的燃烧相位难以控制,限制了部分预混燃烧的应用范围。本文采用大涡模拟手段研究了正庚烷喷雾的部分预混燃烧过程,重点关注不同热力学边界条件下的着火过程、亚网格尺度的反应标量波动和部分预混燃烧火焰结构。本文基于KIVA-3V平台开发了大涡模拟计算程序,并纳入线性涡模型,开展了两相喷雾燃烧过程的研究,计算中无需引入任何假设即可适用于部分预混燃烧模式。线性涡模型通过在亚网格尺度上独立地处理湍流扰动、分子扩散和化学反应过程,实现了对亚网格尺度反应标量波动的定量化描述,并体现了湍流-化学反应相互作用。此外,实现了化学反应速率求解过程的并行化处理,显著地提升了计算效率。通过美国桑迪亚国家实验室发布的定容燃烧弹的实验数据,计算程序得到了有效验证,较准确地预测了正庚烷喷雾燃烧的着火延迟和火焰形态等结果。首先,在定容燃烧弹内,全面研究了初始环境温度、环境氧气浓度、预喷射比例和主喷射时刻对着火延迟的影响规律,提出了定量描述油气混合对着火过程影响程度的参数。研究发现,环境温度和氧气浓度越高,油气混合对着火的影响越大,着火主要发生在预混较好的区域;反之,化学动力学对着火的影响增强,着火主要发生在受蒸发吸热影响较小的高温区域。预喷射对着火的影响取决于预混混合气的化学反应剧烈程度。预混比例较低时(20%),化学反应剧烈程度主要受持续时间的影响;而预混比例较高时(40%),主要受环境温度的影响。因为化学反应本质上是发生在分子尺度之上,所以反应标量在小尺度上的均匀混合是着火的前提。不管热力学边界条件如何变化,着火主要发生在亚网格尺度温度波动较小(小于0.5%)的区域。其次,研究了两相喷雾燃烧中亚网格尺度温度波动和燃油组分浓度波动的分布规律,分析了其主要来源以及对燃烧的影响机理。研究发现,忽略亚网格尺度温度波动导致预测的平均温度偏高,证明了亚网格尺度标量波动的重要性。燃油蒸发吸热和化学反应是温度波动的主要来源。另一方面,高温快速化学反应提高了亚网格尺度湍流扰动的频率,有助于抹平亚网格尺度标量场,使温度波动下降99%以上。因此,温度波动主要出现在化学反应速率较低的区域。由于亚网格尺度温度波动是其它标量波动的系综平均,所以温度波动的幅值(约3.5%)小于组分浓度标量的波动幅值(约4.5%)。化学反应过程造成中等程度(1.0%~2.0%)的燃油组分浓度波动。即使在均质混合气的自燃过程中,也会在随机扰动的作用下出现组分浓度的波动。最后,研究了两相喷雾燃烧的火焰结构及其对燃烧放热和排放的影响。研究发现,喷雾燃烧中会出现预混火焰和扩散火焰共存的现象,是一种典型的部分预混燃烧过程。热力学边界条件会影响预混火焰和扩散火焰的比例关系。预混火焰的放热率远远高于扩散火焰的放热率,总体放热率由预混火焰主导,放热率随着火焰结构的改变而变化。初始环境温度和预喷射比例对绝热燃烧温度的影响不大,但是会改变燃烧室中当量比-温度的分布关系。随着初始环境温度的升高,有更多的混合气进入高浓度NO_x生成区,造成NO_x排放的增加。


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