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超临界水热燃烧小火焰模型及大涡模拟研究

高正伟  
【摘要】:超临界水热燃烧技术利用超临界水独特的溶解特性,有机燃料与氧化剂在超临界水单相环境中快速反应,实现燃料的高度降解与能量转化,同时无机盐不溶于超临界水而以炉渣形式排出,因此是一种高效、无污染排放、具有前景的新型燃烧方式。针对目前超临界水热燃烧领域数值研究稀缺,尤其在推进其工业应用中相关湍流燃烧模型匮乏的现状,本文开发了适用于超临界水热燃烧的数值模拟平台,提出了层流及大涡模拟框架下的超临界水热燃烧小火焰模型,并对其开展系统性评估和验证。首先,本文基于计算流体力学开源软件Open FOAM开发了适用于超临界水热燃烧的数值模拟平台。为准确预测超临界状态下混合物的物性,模拟平台中耦合了完备的真实流体物性模型,包括真实流体状态方程、热物理性质模型和输运性质模型,并通过与标准物性数据库和超临界射流实验数据的对比得到证实。其次,本文全面地研究了超临界水热燃烧中的真实流体效应,采用“渐进式”的方法把真实流体状态方程、热物理性质模型和输运性质模型进行耦合,探究真实流体模型的各个部分的影响。研究发现,在非预混超临界水热火焰中,真实流体模型中对状态方程修正的影响最大,因为它修正了流体密度而影响火焰的位置。在预混超临界水热火焰中,真实流体效应对火焰结构影响较小,但对火焰传播速度有显著影响,当采用理想气体模型时计算结果的误差达到35%。此外,基于完备的真实流体物性模型,首次给出了超临界水热燃烧工况下各个组分的刘易斯数,在多种验证工况下,发现使用非均一刘易斯数假设其预测结果与参考值相符。再次,本文提出了层流框架下适用于超临界水热燃烧的真实流体小火焰/过程变量(FPV)模型,该模型能综合考虑超临界水中真实流体效应对水热燃烧的影响,并且利用详细化学反应结果对模型准确性进行了全面验证。研究发现,详细化学反应与FPV模型结果中真实流体效应对水热火焰的影响具有一致性,使用真实流体模型结果中在燃料侧密度和定压比热有大梯度地突变;以及使用理想气体模型会过高的预测最高火焰温度以及组分CO和H_2质量分数。接着,使用先验验证和后验验证的方法,在二维对冲火焰中对真实流体FPV模型进行评估和验证。研究发现,在常压工况、超临界压力工况和不同剪应力工况下,真实流体FPV模型的模拟结果中温度、组分质量分数以及物性与详细化学反应结果相符合,表明在超临界水热燃烧中真实流体FPV方法具有较高准确性。最后,本文提出了大涡模拟框架下适用于超临界水热燃烧的真实流体小火焰/过程变量模型。为考虑在真实燃烧器其中存在的强烈壁面换热现象,本文将FPV模型增加一个焓损失维度,表示非绝热程度,并采用添加释热阻尼的方法建立非绝热小火焰库。为验证非绝热真实流体FPV模型,使用预设概率密度函数方法将此模型耦合入大涡模拟框架中,并对实验室尺度的超临界水热火焰开展了模拟研究。结果表明,非绝热FPV方法优于传统涡耗散模型以及涡耗散概念模型的预测结果,因为它预测了与实验测量一致的火焰抬升高度以及最高温度所在区域,且非绝热FPV方法结果中的轴线温度跟实验测量结果更加符合。此外,本文探究使用人工神经网络建立小火焰数据库,解决了超临界小火焰燃烧数据库过于庞大,导致计算机内存不足和取值性能下降的问题。结果表明,基于人工神经网络的小火焰模型在大规模并行计算中消耗更少计算机内存,且计算速度比传统方法快30%以上,拥有良好的计算性能。


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