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气相/煤粉气固两相圆射流燃烧的直接数值模拟

易富兴  
【摘要】:本文的研究内容主要分为两部分。一是开发出了一套可用于计算可压缩煤粉气固两相燃烧的DNS程序,即DNS-TPCRF程序;二是用这套程序计算了四个燃烧算例,分别为:层流圆射流扩散火焰;实验工况下的湍流圆射流抬升火焰;静止单颗碳粒在不同流速与温度的空气中的燃烧情况;煤粉气固两相湍流圆射流燃烧工况。 课题组开发的DNS-TPCRF程序与国际上类似的程序相比具有以下几个特点:一是求解格式稳定、精度高、易于大规模并行;二是边界条件比较稳定,这在可压缩燃烧的数值模拟中是非常重要的;三是将消减声速法嵌入到程序当中去了,以便在需要的时候可以适当增加时间步长;四是将煤粉燃烧模型嵌入到程序当中去了,并提出了两种新的算法用来求解单膜模型中煤粉颗粒表面的氧气与二氧化碳浓度。 算例一主要研究了两种点火方法对层流火焰的最终型式的影响,这两种点火方式分别形成了附着火焰与抬升火焰。文中还进一步分析了附着与抬升火焰的形成机制。算例二主要研究了一个实验工况下的湍流射流燃烧现象,实验的雷诺数为23600。DNS结果与实验数据的对比结果非常好,表明我们用DNS方法较为成功地模拟了该实验。本文还用DNS数据分析了该火焰的自发着火现象,湍流燃烧的瞬态火焰结构以及湍流火焰的稳燃机理,且都得到了一些比较新颖的结果。算例三用定量的方法研究了单颗不同直径的碳粒在不同温度与来流速度的空气作用下的燃烧情况。根据文中所得的结论,人们差不多可以定量地确定碳粒的三种燃烧型式(动力型、扩散型与混合型)与碳粒直径,来流空气的速度与温度之间的关系。确定碳粒的燃烧型式的另一个重要的作用是给我们选择碳粒的燃烧模型提供了一定的指导意义。文中也给出了一个碳粒燃烧模型的选择方法。算例四计算了一个煤粉气固两相湍流圆射流燃烧工况。该算例基于喷口的雷诺数为28284。虽然边界条件是人为设置的,但是却具有某种实验的可能性。文中主要分析了煤粉从进口到计算出口的演化过程以及煤粉与气相的相关统计量。


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