受限空間內湍流部分預混燃燒特性及模型研究

《受限空間內湍流部分預混燃燒特性及模型研究》是依託江蘇大學，由王平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：受限空間內湍流部分預混燃燒特性及模型研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王平
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

受限空間記憶體在的回流區、碰撞射流等複雜流動現象對湍流部分預混（TPP）燃燒的NOx生成、熄火/再燃、貧燃吹熄等現象有重要影響。採用動態增厚火焰（DTF）燃燒模型對TPP燃燒進行大渦模擬（LES）計算時面臨著一個‘瓶頸’：難以考慮詳細反應機理。本項目明確提出將新近發展的化學反應－擴散流形技術耦合到DTF模化方法中，可以有效突破該‘瓶頸’，並基於此構建了一新的亞格線燃燒模型，既能計算TPP燃燒模式又能準確預測NOx的排放。同時，利用多種實驗手段對一個設計新穎的TPP燃燒器內的速度場、火焰面結構以及溫度、NOx等的分布進行了測量。在可靠校核新模型精度的基礎上，對比分析LES計算結果與詳細的實驗數據，深入了解受限空間內湍流結構與火焰結構相互作用的內在機理，掌握各種燃燒狀態參數對NOx生成的影響規律，揭示受限空間內熄火/再燃等複雜物理化學過程，為發展高效、超低NOx排放的TPP燃燒技術提供理論指導。

結題摘要

在工程實際的燃燒裝置里，由於燃料與空氣的混合時間很短使得混合氣難以達到完全預混合狀態，導致湍流部分預混（TPP）燃燒模式的廣泛存在，相比於純粹的預混和非預混火焰，人們對TPP燃燒現象的認識還不夠深入。本項目採用大渦模擬（LES）和實驗測量相結合的方法對TPP的燃燒特性及湍流－燃燒相互作用機理進行了研究。首先利用LES方法對某燃氣輪機模型燃燒室中的燃氣小孔入流及燃氣混合現象進行了詳細計算，研究發現：在該燃燒室中混合氣的當量比變化範圍非常大，甚至超出了可燃界限，這就要求在對其中的TPP現象進行計算時不能採用過於簡化的反應機理，否則難以覆蓋當量比變化範圍而導致大的計算誤差。本項目針對TPP的LES計算，基於反應-擴散流形(REDIM)方法和假定濾波機率密度函式(PFDF)方法，構造了一種REDIM-PFDF 亞格線燃燒模型。首先採用該燃燒模型對Darmstadt湍流分層火焰進行了計算，仔細分析了不同的剪下效應、分層效應下火焰傳播機理的不同，研究發現：當剪下效應增強時，湍流增強可促進燃氣的混合，使分層效應被弱化，從而焰前支持火焰傳播模式機率增加，火焰的穩定性減弱。隨後對悉尼大學測量的非均勻射流TPP火焰進行了LES計算，並將計算結果與實驗數據進行對比，研究表明：在所計算的多個工況下，大渦模擬預測得到的溫度、CO2、CO 等組分與實驗值吻合良好，且LES預測得到射流吹熄速度為128m/s與實驗結果的114m/s很接近，這表明REDIM-PFDF模型在計算部分預混燃燒方面的良好能力。本項目在實驗研究方面設計、製造了一個新穎的可視化燃燒器，並成功申請了3項發明專利。利用PIV、高速攝像機、壓力感測器等手段對其中的火焰進行了測量。測量發現：受限空間中的火焰呈現出兩種不同的形態：V型和M型，且不同的火焰形態對應的壓力波動幅值存在明顯的差異。通過改變流動參數，可以實現M型和V型火焰的轉換。對實驗測量的火焰也進行了LES計算，很好地復現了湍流火焰的傳播特性，捕捉到了V－M火焰的轉變過程。通過本項目的研究，對湍流部分預混火焰的特性有了更深入的了解，可為新型燃燒裝置的研製提供一些理論指導。