甲烷/空气高压对冲火焰的数值模拟及非预混湍流燃烧的初步研究

【摘要】：本文以吸气式火箭发动机和高性能燃气轮机中的高压燃烧现象为研究对象,在准确考虑热物性和传输物性变化的基础上,建立了一套能够准确模拟高压层流对冲火焰和非预混湍流燃烧过程的计算软件模块。在此基础上,我们首先对甲烷／空气的高压层流对冲火焰进行了详细的数值模拟,深入探讨了压力和应变率的影响。结果表明,压力的增加会使得火焰的最高温度上升,火焰的宽度变窄；应变率的上升则会使得火焰的最高温度下降,同时也会使火焰的宽度变窄；总的说来,火焰的宽度与压力和应变率之间呈dlogδ/dlog(p·a)≈0.500的关系；而压力和应变率的增加会使得总放热速率增加,它们之间符合以下关系式：dlgQrelease/dlg(p·a≈0.518;压力和应变率对组分的影响较为复杂,但总的说来,压力的增加使燃烧进行得更为彻底,而应变率的变化对富燃料区的组分,特别是主要污染物NO的分布,有较大的影响。我们然后对甲烷／空气在高压下的非预混湍流燃烧现象开展了初步的研究,探讨了当量比、压力和入口旋流数等参数对湍流燃烧过程的影响。结果表明,适当地增加压力可以提高燃烧的效率；在当量比为0.5-1.0时,湍流燃烧效率较好,且有助于减少污染物的排放；空气入口旋流度的增加有助于提高燃料与空气的混合,从而有利于火焰位置的控制,在计算参数范围内,越高的旋流数会带来越好的混合 【关键词】：高压燃烧 层流对冲火焰 非预混湍流燃烧 数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V430
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 图目录7-9
• 表目录9-10
• 目录10-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 层流对冲火焰13-15
• 1.2.1 基本介绍13
• 1.2.2 层流对冲火焰的研究现状13-15
• 1.3 非预混湍流燃烧15-21
• 1.3.1 反应项的建模15-17
• 1.3.1.1. 涡耗散概念模型16
• 1.3.1.2. PDF输运方程模型16-17
• 1.3.1.3. 火焰表面密度模型17
• 1.3.2 反应标量方程建模17-19
• 1.3.2.1. 层流火焰面模型18-19
• 1.3.2.2. 条件动量闭合方法19
• 1.3.3 非预混湍流燃烧的研究现状19-21
• 1.4 本文工作21-22
• 第2章 数值方法22-31
• 2.1 层流对冲火焰的数值模型22-25
• 2.1.1 守恒方程22-23
• 2.1.2 边界条件23
• 2.1.3 物性计算方法23-24
• 2.1.4 火焰面文件24-25
• 2.2 非预混湍流燃烧的数值方法25-30
• 2.2.1 物理模型25
• 2.2.2 守恒方程25-26
• 2.2.3 湍流模型26-27
• 2.2.4 燃烧-流动耦合模型27-29
• 2.2.5 边界条件29-30
• 2.2.6 物性计算30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 模型验证31-41
• 3.1 物性计算方法的验证31-34
• 3.2 层流对冲火焰计算模型的验证34-37
• 3.3 非预混湍流燃烧计算模型的验证37-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 甲烷/空气高压层流对冲火焰的数值模拟研究41-56
• 4.1 参数设置41
• 4.2 火焰温度和结构41-46
• 4.2.1 压力的影响41-43
• 4.2.2 应变率的影响43-44
• 4.2.3 压力和应变率的影响44-46
• 4.3 放热速率46-49
• 4.3.1 压力的影响46
• 4.3.2 应变率的影响46-47
• 4.3.3 压力和应变率的影响47-49
• 4.4 组分分布49-55
• 4.4.1 CO_2和CO的分布49-50
• 4.4.2 中间组分的分布50-52
• 4.4.3 NO_x的分布52-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第5章 甲烷/空气高压非预混湍流燃烧的初步研究56-69
• 5.1 网格独立性分析56
• 5.2 参数设置56-57
• 5.3 压力的影响57-61
• 5.3.1 压力对温度分布的影响57-59
• 5.3.2 压力对组分分布的影响59-61
• 5.4 当量比的影响61-63
• 5.4.1 当量比对温度分布的影响61-62
• 5.4.2 当量比对组分分布的影响62-63
• 5.5 周向速度的影响63-67
• 5.5.1 参数设置63-64
• 5.5.2 旋流的影响64-67
• 5.5.3 有旋流时当量比的影响67
• 5.6 本章小结67-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 6.1 研究总结69
• 6.2 研究展望69-71
• 参考文献71-80
• 附录A80-81
• 附录B81-82
• 作者简历82

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