非預(yù)混火焰中的流動及燃燒不穩(wěn)定性的直接數(shù)值模擬研究.pdf

1、鑒于全球環(huán)境質(zhì)量的不斷下降以及當(dāng)今以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)的局限性，使得清潔能源的利用問題越來越受到人們的關(guān)注。這其中，氫能由于其高效、清潔等優(yōu)點而格外引人注目。然而到目前為止，由于對氫氣燃燒機(jī)理和燃燒行為的認(rèn)識尚未完善，這很大程度上限制了人們對氫能的安全開發(fā)和利用?；诖?，本文利用高精度直接數(shù)值模擬的方法對非預(yù)混火焰在流動和燃燒過程中的不穩(wěn)定性行為和燃燒的內(nèi)在機(jī)理做了詳細(xì)研究。在研究中利用768個處理器核進(jìn)行了大規(guī)模的高效并行計算。而

2、且，為了能得到更精細(xì)的流場結(jié)構(gòu)，在計算中考慮了實際燃燒中的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)過程。
　　本研究包括四方面的內(nèi)容，分別為:(1)探討了氫氣非預(yù)混火焰在流動和燃燒過程中固有的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性。(2)研究了由于氫氣自身的快速擴(kuò)散的屬性誘發(fā)的熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性對非預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)的影響。(3)探討了燃燒室中非預(yù)混火焰因火焰、壓力波及燃燒等因素的相互作用誘導(dǎo)的聲學(xué)響應(yīng)和熱聲耦合不穩(wěn)定性的形成。(4)建立于三維大規(guī)模的直接數(shù)值模擬中提供的海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上

3、，開展了對非預(yù)混燃燒中的輸運模型的檢驗和發(fā)展的研究。
　　在流動和燃燒過程中自身存在的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性方面，分別開展了二維和三維直接數(shù)值模擬的研究，探討了氫氣射流撞擊火焰在近場區(qū)域的不穩(wěn)定性。研究中發(fā)現(xiàn)，浮力驅(qū)動下的流動不穩(wěn)定性對火焰外部渦旋結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。而且，捕捉到了由剪切效應(yīng)引起的開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性和相應(yīng)的小尺度渦旋結(jié)構(gòu)的形成，并且探討了擾動對這兩種不穩(wěn)定性的響應(yīng)。通過比較二維和三維的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二維模擬結(jié)果有

4、一定的局限性，但它可以節(jié)省大量的計算資源，而三維結(jié)果的預(yù)測更為準(zhǔn)確和精細(xì)。
　　通過大規(guī)模高精度的三維直接數(shù)值模擬，進(jìn)一步研究了氫氣非預(yù)混火焰中的熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性是由氫氣自身的快速擴(kuò)散的性質(zhì)誘導(dǎo)的。研究發(fā)現(xiàn)，流場中固有的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性會引發(fā)非預(yù)混火焰的不穩(wěn)定，而由優(yōu)勢擴(kuò)散引起的熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性在一定程度上卻能夠減弱這種不穩(wěn)定性的影響。不僅如此，優(yōu)勢擴(kuò)散的作用也會影響非預(yù)混火焰的組成結(jié)構(gòu)。并且由于組分H2和自由基H的快

5、速擴(kuò)散的輸運性質(zhì)，導(dǎo)致流場中高溫區(qū)的產(chǎn)生和局部高反應(yīng)物濃度的分布特征。
　　本文還考慮了實際動力推進(jìn)系統(tǒng)的燃燒設(shè)備里經(jīng)常會發(fā)生的燃燒不穩(wěn)定性即熱聲耦合不穩(wěn)定性。分別通過實驗觀測、直接數(shù)值模擬、以及理論解析三種方法研究，并將三者得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)了非預(yù)混火焰中的熱聲耦合不穩(wěn)定性的形成，而且這種燃燒不穩(wěn)定性誘發(fā)了火焰面周期性撕裂的行為。并且，非預(yù)混火焰對外界擾動的響應(yīng)呈現(xiàn)低通特性。
　　在論文的最后，通過對上述的三維大

6、規(guī)模的直接數(shù)值模擬中得到的各個瞬態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，研究了湍流的統(tǒng)計特性和輸運特性，并預(yù)測了湍流脈動標(biāo)量的逆梯度輸運的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，不論是均一擴(kuò)散還是優(yōu)勢擴(kuò)散的條件下，對于非守恒量和守恒量而言，非預(yù)混火焰中的湍流脈動標(biāo)量的輸運行為都并未完全遵循經(jīng)典的梯度模型中所描述的梯度輸運，即梯度輸運模型具有一定的局限性，它并不能準(zhǔn)確地描述非預(yù)混火焰中的湍流輸運行為。而逆梯度擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生是由于劇烈的化學(xué)反應(yīng)熱釋放引起的壓力梯度的變化，進(jìn)而影響湍流的擴(kuò)散