非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究
FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
燃烧模拟
广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟
燃烧炉 锅炉 加热器 燃气轮机 火箭发动机 流场流动特性及其混合特 性 温度场 组分浓度场 颗粒和污染物排放
Temperature in a gas furnace
求解内容
缺点:
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 假定化学反应过程受混合速率控制
满足局部化学平衡. 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程 度. 用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
i i ( f , c ) Pf ( f ) Pc ( c )dc df
00
只适合绝热系统（FLUENT V5） Import strained flame calculations
prePDF or Sandia’s OPPDIF code
Single or multiple flamelets
f=1 f=0 f=1
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
系统化学平衡假设
化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用
Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
一种模型低污染燃烧室三维两相数值模拟
一种模型低污染燃烧室三维两相数值模拟马存祥;邓远灏;徐华胜;钟世林【摘要】贫油预混预蒸发（LPP）技术是目前最具发展前景的低污染燃烧技术，可实现很低的NO2排放。
本文采用FLU-ENT软件，对一种模型低污染燃烧室（采用LPP燃烧技术）进行三维两相数值模拟计算分析。
研究了模型燃烧室的流场结构、流量分配、回流特性、雾化特性和燃烧性能，并对NO2排放进行了预测。
结果表明，模型燃烧室流场中存在与TAPS燃烧室相似的三个涡结构，流量分配与试验吻合良好，雾化特性良好并具有较好的温度场和低的NO2排放。
%The Lean Premixed Prevaporized （LPP） technology is the most promising low emission technolo- gy in aero-engine combustor design, which makes the emission level of pollutant NOx very low. Three-di- mensional non-reactive and reactive flow in a LPP model combustor was studied numerically by using FLU- ENT software, involving the structure of recirculation zone, characteristics of recirculation flow and atomiza- tion, performances of combustion and NOx emission forecast. The results indicated that recirculation zone had three vortexes as the same as TAPS combustor, mass-flow distribution agreed well with experimental data, the performances of atomization and combustion were fine, and the emission level of pollutant NOx was low.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】6页(P28-32,58)【关键词】LPP;燃烧室;数值模拟;污染排放【作者】马存祥;邓远灏;徐华胜;钟世林【作者单位】中国燃气涡轮研究所,四川成都610500;中国燃气涡轮研究所,四川成都610500;中国燃气涡轮研究所,四川成都610500;中国燃气涡轮研究所,四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】V235.11为达到发动机低污染排放目的，早在上世纪80年代，国外就开始研究贫油预混预蒸发(LPP)燃烧技术[1]，并成功应用于工业燃气轮机[2]，实现了很低的NOx排放。
旋转爆轰发动机燃烧室的燃烧与流动特性研究
旋转爆轰发动机燃烧室的燃烧与流动特性研究王宇辉;乐嘉陵;杨样;谭宇【摘要】设计了一台爆轰环腔外径100mm、内径80mm、长117 mm 的不带有尾喷管的旋转爆轰发动机燃烧室，并进行了实验和数值模拟研究，来了解不同当量比下的燃烧和流动特性。
在该燃烧室头部，空气通过60个直径2mm孔轴向喷射，氢气通过2mm宽环缝喷射。
氢气和空气最大供给总压分别可达12和10.5MPa。
实验发现，当量比大于2时，燃烧发生在燃烧室以外，为爆燃；当量比接近于1时，燃烧室内存在多个反向旋转爆轰波，爆轰波平均速度较低，不超过1000m/s；当量比小于0.58时，仅有一个爆轰波准稳态旋转。
在当量比为0.55时，旋转爆轰波传播速度为1274m/s。
在当量比为1时，进行了17s 无热防护的旋转爆轰发动机实验，未发现燃烧室有明显烧蚀。
数值模拟表明在流量为400g/s时，有3个爆轰波同向旋转，外壁面侧传播速度约为1998m/s。
%A rotating detonation combustor with the outer diameter100mm,the inner diame-ter 80mm and the axial length 117 mm for the detonation channel was designed.There is no ex-haust nozzle attached to the combustor.Numerical and experimental studies were carried out to study combustion and flow characteristics under different equivalence ratio conditions.The air flows into the combustor through 60 orifices each with 2mm in diameter,and the hydrogen gas flows into the combustor through an annular channel with2mm in width.The maximum total pressures of hydrogen and air can be 12 and 10.5MPa,respectively.When the equivalence ratio is greater than2,deflagration occurs outside the combustor.When the equivalence ratio is close to 1 ,multiple counter-rotating detonation waves move in thecombustor and the average detonation velocities are lower than1000m/s.When the equivalence ratio is less than 0.58,only one detona-tion wave rotates.The detonation velocity is 1274m/s for the equivalence ratio 0.55.The rota-ting detonation engine without cooling ran for 1 7 seconds at the equivalence ratio 1 and apparent erosion wasn’t found.Three detonation waves are co-rotating with velocities 1998m/s near the outer wall for the mass flow rate 400 g/s in the numerical study.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2017(031)001【总页数】7页(P32-38)【关键词】旋转爆轰发动机;实验;爆轰波速度;尾焰;当量比【作者】王宇辉;乐嘉陵;杨样;谭宇【作者单位】西南科技大学燃烧空气动力学研究中心，四川绵阳 621010;中国空气动力研究与发展中心吸气式高超声速技术研究中心，四川绵阳 621000;中国空气动力研究与发展中心吸气式高超声速技术研究中心，四川绵阳 621000;中国空气动力研究与发展中心吸气式高超声速技术研究中心，四川绵阳 621000【正文语种】中文【中图分类】V231.3旋转爆轰发动机（Rotating Detonation Engine，RDE），又名连续爆轰发动机（Continuous Detonation Engine，CDE）或连续旋转爆轰发动机（Continuously Rotating Detonation Engine，CRDE）是一种基于爆轰燃烧的发动机，由于流量连续，结构紧凑，工作模式简单，工频较高，近年来其研究在逐步加强。
FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟
混合分数定义
混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f Zk Zk,O Zk,F Zk,O
其处中的，值。Zk 是元素k的质量分数 ；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口流
对于简单的 fuel/oxidizer系统, 混合物分数代表计算控制体里的燃料 质量分数.
平衡化学的 PDF模型 层流火焰面模型
进展变量模型
Zimont 模型
有限速率模型
用总包机理反应描述化学反应过程. 求解化学组分输运方程.
求解当地时间平均的各个组分的质量分数, mj.
组分 j的源项 (产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应速率 :
Rj Rjk k
R、jk混(第合k或个涡化旋学破反碎应（生E成BU或）消速耗率的的j 组小分值)。是.根据 Arrhenius速率公式
p(f) can be used to compute time-averaged values of variables that
depend on the mixture fraction, f:
i
1 0
p
(
f
)
i( f )d f
Species mole fractions
Temperature, density
的燃烧过程。.
计算连续相流动场 计算颗粒轨道
更新连续相源项
颗粒弥散: 随机轨道模型
Monte-Carlo方法模拟湍流颗粒弥散 (discrete random walks)
颗粒运动计算中考虑气体的平均速度及随机湍流脉 动速度的影响。
每个轨道包含了一群具有相同特性的颗粒，如相同 的初始直径，密度等.
燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧中低热值煤气的比较
燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧中低热值煤气的比较作者：徐纲前言煤炭联产系统可以提高煤炭生产的综合效益，同时降低大气污染，支持煤炭企业由传统产业向高技术产业的转型，其中的关键问题就是提供适用多种燃料（包括中低热值煤气、天然气等）的低NOX排放新型燃气轮机燃烧室。
将燃烧室的燃料由天然气改为中低热值煤气将会面临以下几个问题：·燃油流量的增加：在燃烧室功率不变的情况下，由于中低热值煤气热值的下降，燃油流量将增加3－10倍，相应需要向燃烧区提供更大的空气流量，改变燃烧-冷却-掺混的空气配比，且燃烧火焰将加长。
因此，需要改变燃料系统，燃烧区和掺混区的总体尺寸和结构。
·燃烧稳定性问题：中低热值煤气燃烧的特点是平均温升较低，局部温升较高。
又由于燃油流量的增加导致煤气喷射速度增加，煤气中的主要物质co的着火下限较高，当机组工作在低负荷工况时容易出现熄火现象。
·控制Nox排放与co排放的矛盾：中低热值煤气的燃烧温升较高，而火焰传播速度较低，容易产生co排放超标。
通过提高燃烧区的温度可大幅降低co的排放量。
但这与降低燃烧区温度来降低Nox含量相矛盾。
现在比较先进的DLN燃烧室通过预混燃烧来降低燃烧温度已降低Nox含量。
但预混燃烧的稳定性较低，而本身中低热值煤气的燃烧稳定性较低，故移植到中低热值煤气燃烧室较为困难。
·冷却问题：煤气中含有H2，局部燃烧温度较高，易烧坏喷嘴。
前面提到由于燃油流量的增加，相应需要向燃烧区提供更大的空气流量，这将导致用于冷却的空气量减少。
这些问题的的解决依赖于实验、计算紧密结合：燃烧问题本身是比较复杂的，而中低热值煤气的成份比天然气多，反映过程也相应复杂。
以往的工作是以实验为主，数值模拟较为困难。
随着CFD技术的发展，我们目前已有了解决这类问题的工具，可以进行湍流、多组分扩散、化学反应进行联合模拟。
本文中采用FLUENT软件对同一燃烧室采用天然气和中低热值煤气进行了对比计算，对温度分布，火焰结构，燃烧效率及Nox分布进行了比较。
燃烧理论基础-层流预混火焰
1 v
mox
v
1
1
mPr
（本质上是化 学反应中物质 的消耗速度，
或反应速率）
根据7.8
m dYF dx
d ( D dYF
dx dx
)
mF
燃料
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• 氧化剂 • 产物
m
dYOx dx
d ( D dYOx
dx dx
)
vmF
m dYPr dx
d ( D dYPr
dx dx
)
(v 1)mF
• 音速传播的燃烧波：缓燃波 • 超音速传播的燃烧波: 爆震波
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火焰的主要参数
传播速度 火焰锋面 厚度 温度分布 放热率
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火焰的传播速度
• 火焰速度 SL：以波峰为参考系，火焰速度等于未燃气 体速度νu。
根据总质量守恒 u SL A uvu A bvb A
• 目标：找出层流火焰速度的简化表达形式.
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假设
• 1.一维，稳流，等面积, • 2.动能、势能、粘性力做功以及热辐射均忽略 • 3.忽略火焰面两侧微小的压力差;即压力恒定 • 4. 热扩散和质量扩散由傅立叶（Fourier）定律及费克（Fick）定律决定，
且假定是二元扩散（Binary diffusion）.
偏导数的定义
(vx )
t
x
更通用的三维形式
(V ) 0
t
稳定流中，控制体内 总质量不随时间变化
0
t
(vx ) 0 7.4a
x
vx 常数 7.4b
(vx ) 0
x
微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
吸收受颗粒大小 、 颗粒密实程度等多种因素的影响 , 要实现煤质的在线分析 ,还有大量工作要做 。 参考文献 :
量的能量储备 ,还是在能量转换与利用效率上都明 显地优于传统的化学电池 。例如 , 碳氢燃料提供的 储能密度约为 40～50 MJ / kg ,而目前普遍使用的 、 性 能最好的锂离子电池只有 0. 4 ～ 0. 5 MJ / kg 。因此 , 即使燃料的化学能只有 10 %转变为电能 , 碳氢燃料 提供的储能密度也超过电池 10 倍以上 。正是由于 碳氢燃料的廉价和高储能密度的优点 , 微型发电系 统和微型推进系统的研究已经成为最近几年美国国 防和能源高技术研究的重点投资之一 。麻省理工学 院、 加州大学伯克利分校 、 普林斯顿大学以及南加州 大学等分别在美国 NASA 、 国防部 ( DOD ) 和能源部 (DOE) 的支持下进行了微型火箭 , 微型透平机和以 燃烧方式直接发电等动力微机电系统 ( Power MEMS) 的研 究 , 并 取 得 了 初 步 的 成 果 。日 本 也 把 动 力 MEMS 的研究列入新能源开发机构 ( NEDO) 的研究 计划之中 。 基于燃烧的动力 MEMS 中 , 如何实现微尺度条 件下燃料的持续稳定燃烧是制约系统成败的关键因 素之一 。在微尺度燃烧中 ,由于燃烧器尺度的减小 ,
k =1 j =1 K s N +N
g
2 物理模型和数学模型
计算中采用的物理模型是一个二维的有逆流换 热的 U 形通道反应器 , 计算中采用均匀网络 ( 见图 1) 。反应器长度为 10 mm ,通道宽度为 2 mm ,催化表 面为外径 2 mm 的外圆柱面 , 其上镀上一层 Pt 催化 剂 。催化表面置于燃气和烟气通道的交汇处 , 燃气 在催化表面着火燃烧 。本文联合使用 FLUENT[1 ] 和 DETCHEM[2 ] 数值模拟了甲烷/ 空气混合物在通道宽 度为 2 mm 、 长为 10 mm 、 布置不同催化剂表面微燃烧 器的燃烧过程 。
预混火焰胞状不稳定性研究
摘
要： 采用高速纹影 系统和定容燃烧弹对预混球形 膨胀火焰 的胞状 不稳定 性进行研 究 ， 分析火 焰胞状不 稳
定性 的表现 、 原 因以及影 响因素。研究 结果表明 ： 火焰胞状 不稳定性 主要 指不等扩散不稳定 和流体力 学不稳定 ； 流 体力学不稳定 的原 因为 ， 曲率 的关 系会使其 流线发散或汇聚 ， 因而相应地 降低 或增 加了流场 的速度 ， 其 主要影 响因 素为火焰厚度 和密度 比 ， 表现为火焰前锋 面产生 裂纹 随后 出现规则 的胞 ； 不等扩散 不稳定 的原 因为前锋 面包络 的 控制体 由于热质不 等扩散的缘故 ， 主要影 响因素为刘 易斯数 ， 表现为火焰表 面布满不规则 的胞 。 关键词 ： 定容燃烧弹 ； 胞 状不稳定性 ； 流体力 学不 稳定 ； 不等扩散不稳定
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｆ ０ ５ ５ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３—１ ５ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） Ｏ １ — ０ ０ ７ ９— ０ ５
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非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究
鉴于全球环境质量的不断下降以及当今以化石燃料为主的能源结构的局限性,使得清洁能源的利用问题越来越受到人们的关注。
这其中,氢能由于其高效、清洁等优点而格外引人注目。
然而到目前为止,由于对氢气燃烧机理和燃烧行为的认识尚未完善,这很大程度上限制了人们对氢能的安全开发和利用。
基于此,本文利用高精度直接数值模拟的方法对非预混火焰在流动和燃烧过程中的不稳定性行为和燃烧的内在机理做了详细研究。
在研究中利用768个处理器核进行了大规模的高效并行计算。
而且,为了能得到更精细的流场结构,在计算中考虑了实际燃烧中的详细化学反应过程。
本研究包括四方面的内容,分别为：(1)探讨了氢气非预混火焰在流动和燃烧过程中固有的流体动力学不稳定性。
(2)研究了由于氢气自身的快速扩散的属性诱发的热扩散不稳定性对非预混火焰结构的影响。
(3)探讨了燃烧室中非预混火焰因火焰、压力波及燃烧等因素的相互作用诱导的声学响应和热声耦合不稳定性的形成。
(4)建立于三维大规模的直接数值模拟中提供的海量数据的基础上,开展了对非预混燃烧中的输运模型的检验和发展的研究。
在流动和燃烧过程中自身存在的流体动力学不稳定性方面,分别开展了二维和三维直接数值模拟的研究,探讨了氢气射流撞击火焰在近场区域的不稳定性。
研究中发现,浮力驱动下的流动不稳定性对火焰外部涡旋结构的形成至关重要。
而且,捕捉到了由剪切效应引起的开尔文-亥姆霍兹不稳定性和相应的小尺度涡旋结构的形成,并且探讨了扰动对这两种不稳定性的响应。
通过比较二维和
三维的模拟结果,发现二维模拟结果有一定的局限性,但它可以节省大量的计算资源,而三维结果的预测更为准确和精细。
通过大规模高精度的三维直接数值模拟,进一步研究了氢气非预混火焰中的热扩散不稳定性。
这种不稳定性是由氢气自身的快速扩散的性质诱导的。
研究发现,流场中固有的流体动力学不稳定性会引发非预混火焰的不稳定,而由优势扩散引起的热扩散不稳定性在一定程度上却能够减弱这种不稳定性的影响。
不仅如此,优势扩散的作用也会影响非预混火焰的组成结构。
并且由于组分H2和自由基H的快速扩散的输运性质,导致流场中高温区的产生和局部高反应物浓度的分布特征。
本文还考虑了实际动力推进系统的燃烧设备里经常会发生的燃烧不稳定性即热声耦合不稳定性。
分别通过实验观测、直接数值模拟、以及理论解析三种方法研究,并将三者得到的结果进行对比分析,发现了非预混火焰中的热声耦合不稳定性的形成,而且这种燃烧不稳定性诱发了火焰面周期性撕裂的行为。
并且,非预混火焰对外界扰动的响应呈现低通特性。
在论文的最后,通过对上述的三维大规模的直接数值模拟中得到的各个瞬态数据的统计,研究了湍流的统计特性和输运特性,并预测了湍流脉动标量的逆梯度输运的现象。
研究发现,不论是均一扩散还是优势扩散的条件下,对于非守恒量和守恒量而言,非预混火焰中的湍流脉动标量的输运行为都并未完全遵循经典的梯度模型中所描述的梯度输运,即梯度输运模型具有一定的局限性,它并不能准确地描述非预混火焰中的湍流输运行为。
而逆梯度扩散现象的发生是由于剧烈的化学反应热释放引起的压力梯度的变化,进而影响湍流的扩散和输运过程。
最终,湍流标量输运呈现出梯度扩散和逆
梯度扩散共存的特征。