本文關(guān)鍵詞：基于線性渦模型的部分預(yù)混燃燒大渦模擬研究

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【摘要】：部分預(yù)混燃燒是介于預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒之間的一種新型燃燒模式,可有效避免過高壓力升高率、不充分燃燒以及嚴(yán)重的污染物排放,因此被廣泛應(yīng)用于先進低溫燃燒內(nèi)燃機中。由于部分預(yù)混燃燒的著火過程同時受到湍流混合和化學(xué)動力學(xué)協(xié)同控制,著火機理尚不明確,導(dǎo)致內(nèi)燃機的燃燒相位難以控制,限制了部分預(yù)混燃燒的應(yīng)用范圍。本文采用大渦模擬手段研究了正庚烷噴霧的部分預(yù)混燃燒過程,重點關(guān)注不同熱力學(xué)邊界條件下的著火過程、亞網(wǎng)格尺度的反應(yīng)標(biāo)量波動和部分預(yù)混燃燒火焰結(jié)構(gòu)。本文基于KIVA-3V平臺開發(fā)了大渦模擬計算程序,并納入線性渦模型,開展了兩相噴霧燃燒過程的研究,計算中無需引入任何假設(shè)即可適用于部分預(yù)混燃燒模式。線性渦模型通過在亞網(wǎng)格尺度上獨立地處理湍流擾動、分子擴散和化學(xué)反應(yīng)過程,實現(xiàn)了對亞網(wǎng)格尺度反應(yīng)標(biāo)量波動的定量化描述,并體現(xiàn)了湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用。此外,實現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)速率求解過程的并行化處理,顯著地提升了計算效率。通過美國桑迪亞國家實驗室發(fā)布的定容燃燒彈的實驗數(shù)據(jù),計算程序得到了有效驗證,較準(zhǔn)確地預(yù)測了正庚烷噴霧燃燒的著火延遲和火焰形態(tài)等結(jié)果。首先,在定容燃燒彈內(nèi),全面研究了初始環(huán)境溫度、環(huán)境氧氣濃度、預(yù)噴射比例和主噴射時刻對著火延遲的影響規(guī)律,提出了定量描述油氣混合對著火過程影響程度的參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境溫度和氧氣濃度越高,油氣混合對著火的影響越大,著火主要發(fā)生在預(yù)混較好的區(qū)域;反之,化學(xué)動力學(xué)對著火的影響增強,著火主要發(fā)生在受蒸發(fā)吸熱影響較小的高溫區(qū)域。預(yù)噴射對著火的影響取決于預(yù)混混合氣的化學(xué)反應(yīng)劇烈程度。預(yù)混比例較低時(20%),化學(xué)反應(yīng)劇烈程度主要受持續(xù)時間的影響;而預(yù)混比例較高時(40%),主要受環(huán)境溫度的影響。因為化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)上是發(fā)生在分子尺度之上,所以反應(yīng)標(biāo)量在小尺度上的均勻混合是著火的前提。不管熱力學(xué)邊界條件如何變化,著火主要發(fā)生在亞網(wǎng)格尺度溫度波動較小(小于0.5%)的區(qū)域。其次,研究了兩相噴霧燃燒中亞網(wǎng)格尺度溫度波動和燃油組分濃度波動的分布規(guī)律,分析了其主要來源以及對燃燒的影響機理。研究發(fā)現(xiàn),忽略亞網(wǎng)格尺度溫度波動導(dǎo)致預(yù)測的平均溫度偏高,證明了亞網(wǎng)格尺度標(biāo)量波動的重要性。燃油蒸發(fā)吸熱和化學(xué)反應(yīng)是溫度波動的主要來源。另一方面,高溫快速化學(xué)反應(yīng)提高了亞網(wǎng)格尺度湍流擾動的頻率,有助于抹平亞網(wǎng)格尺度標(biāo)量場,使溫度波動下降99%以上。因此,溫度波動主要出現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)速率較低的區(qū)域。由于亞網(wǎng)格尺度溫度波動是其它標(biāo)量波動的系綜平均,所以溫度波動的幅值(約3.5%)小于組分濃度標(biāo)量的波動幅值(約4.5%)。化學(xué)反應(yīng)過程造成中等程度(1.0%~2.0%)的燃油組分濃度波動。即使在均質(zhì)混合氣的自燃過程中,也會在隨機擾動的作用下出現(xiàn)組分濃度的波動。最后,研究了兩相噴霧燃燒的火焰結(jié)構(gòu)及其對燃燒放熱和排放的影響。研究發(fā)現(xiàn),噴霧燃燒中會出現(xiàn)預(yù)混火焰和擴散火焰共存的現(xiàn)象,是一種典型的部分預(yù)混燃燒過程。熱力學(xué)邊界條件會影響預(yù)混火焰和擴散火焰的比例關(guān)系。預(yù)混火焰的放熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于擴散火焰的放熱率,總體放熱率由預(yù)混火焰主導(dǎo),放熱率隨著火焰結(jié)構(gòu)的改變而變化。初始環(huán)境溫度和預(yù)噴射比例對絕熱燃燒溫度的影響不大,但是會改變?nèi)紵抑挟?dāng)量比-溫度的分布關(guān)系。隨著初始環(huán)境溫度的升高,有更多的混合氣進入高濃度NO_x生成區(qū),造成NO_x排放的增加。
【關(guān)鍵詞】：部分預(yù)混燃燒 噴霧燃燒 大渦模擬 線性渦模型 標(biāo)量波動 著火過程 火焰結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 字母注釋表15-18
• 第一章 緒論18-34
• 1.1 引言18-19
• 1.2 部分預(yù)混燃燒模式的特點及研究現(xiàn)狀19-22
• 1.3 湍流燃燒數(shù)值模擬22-31
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容及意義31-34
• 第二章 基于線性渦模型的大渦模擬方法及模型驗證34-64
• 2.1 LES氣相控制方程及亞網(wǎng)格尺度模型34-39
• 2.2 LEM控制方程39-47
• 2.3 LES與LEM的耦合計算47-49
• 2.4 液相控制方程49-54
• 2.5 計算網(wǎng)格精度的選取54-58
• 2.6 模型的實驗驗證58-63
• 2.7 本章小結(jié)63-64
• 第三章 部分預(yù)混燃燒著火過程的研究64-92
• 3.1 模擬工況64-66
• 3.2 多種熱力學(xué)邊界條件下的著火延遲66-76
• 3.3 混合過程對著火的影響76-87
• 3.4 亞網(wǎng)格尺度標(biāo)量波動對著火的影響87-89
• 3.5 本章小結(jié)89-92
• 第四章 亞網(wǎng)格尺度標(biāo)量波動的研究92-118
• 4.1 亞網(wǎng)格尺度標(biāo)量波動與計算網(wǎng)格尺度的關(guān)聯(lián)性92-95
• 4.2 亞網(wǎng)格尺度溫度波動的分布規(guī)律95-103
• 4.3 亞網(wǎng)格尺度溫度波動的形成原因103-108
• 4.4 亞網(wǎng)格尺度燃油組分濃度波動的分布規(guī)律108-114
• 4.5 亞網(wǎng)格尺度燃油組分濃度波動的形成原因114-115
• 4.6 本章小結(jié)115-118
• 第五章 部分預(yù)混燃燒火焰結(jié)構(gòu)及其對放熱和排放關(guān)系118-142
• 5.1 兩相噴霧燃燒的火焰結(jié)構(gòu)118-130
• 5.2 火焰結(jié)構(gòu)對燃燒放熱的影響130-136
• 5.3 火焰結(jié)構(gòu)與燃燒排放的關(guān)系136-140
• 5.4 本章小結(jié)140-142
• 第六章 結(jié)論與展望142-144
• 6.1 全文總結(jié)142-143
• 6.2 工作展望143-144
• 參考文獻144-154
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明154-156
• 致謝156-158

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 孫明波;梁劍寒;王振國;;湍流燃燒亞格子線性渦模型研究[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2007年02期

2 王方;周力行;許春曉;;二階矩亞網(wǎng)格燃燒模型對射流火焰的大渦模擬[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2006年03期

3 胡t旁，

本文編號：1084558