三维煤粉燃烧全双流体模型的数值模拟

1引言目前煤粉燃烧综合模型最为广泛的是以轨道模型为基础，美国杨伯翰大学的先进燃烧工程中心（CERC）自1980年起研制二维煤粉燃烧程序PCGC－2，从1990年起研制三维煤粉燃烧的PCGC－3程序[1]。与轨道模型发展的同时，美国Rabcock＆Wilcox公司Fiveland[2]等人研制了FURMO程序，用无滑移模型对560MW侧墙喷燃煤粉炉进行了三维全模拟。其特点是首次用全欧拉的处理方法计算三维煤粉燃烧过程，其不足之处是不考虑气粒两相间的速度滑移和温度滑移．总的看来，用轨道模型模拟煤粉燃烧，易于考虑颗粒反应经历，也可给出两相之间的速度及温…     

湍流燃烧二阶矩模型的研究进展

湍流燃烧模型在燃烧过程数值模拟中十分重要.商业软件中仍然应用的简单模型,如EBU和预设PDF模型,常常不能很好地模拟有限反应动力学.目前通行的湍流燃烧模型,如层流小火焰模型和条件矩模型,只对一定的火焰类型和火焰结构的效果较好.PDF方程模型更通用,但计算量太大,用于大涡模拟更是如此.另一类是统计矩模型,即基于湍流模型的...     

湍流燃烧的新二阶矩模型

本文针对湍流燃烧中模拟包括污染物生成的详细有限反应动力学的要求，用二阶矩封闭与简化概率密度的概念相结合的方法，提出了湍流燃烧的新二阶矩模型。此模型可兼顾适用于工程问题中的合理性和经济性。     

二阶矩湍流燃烧模型先验性检验

本文通过使用各向同性湍流燃烧的可压缩DNS数据库对二阶矩(SOM)燃烧模型进行了先验性检验和评价。通过检验,发现忽略密度脉动和三阶脉动关联量是可行的,可以有效地简化反应速率方程。通过对关联量输运方程中的精确项的检验,发现化学反应项的贡献最大,需进行准确的封闭。通过对模化的输运方程的检验,发现部分精确项的模化效果不理想,但总体来说,SOM燃烧模型的思想和方法是可行的,有待进一步的发展。     

炉内两相流动和煤粉燃烧的双流体-轨道模型

本文首次用双流体一轨道（连续介质－轨道ＣＴ）模型对大尺寸四角喷燃炉内气粒两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。该模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程,对各子模型用ｋ－ε－ｋｐ两相湍流模型,ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ湍流燃烧模型,煤粉颗粒的水分蒸发,热解挥发和焦炭燃烧的扩散－动力模型,ＤＯ（离散坐标）辐射模型。采用了将坐标扭转一定角度的方法减小入口射流和网格斜交造成的伪扩散。编制了ＬＥＡＧＡＰ－ＦＵＲＮＡＣＥ－３程序,分别对冷态模型炉内两相流动和大尺寸炉内三维两相流动和煤粉燃烧进行了模拟,并与颗粒轨道（ＳＴ）模型的模拟结果进行了对照。采用ＰＤＰＡ对冷态模型炉内气粒两相流场进行了测量。冷态两相流动的模拟与实验结果的对比表明ＣＴ模型的模拟结果和实验符合较好,ＳＴ模型所得颗粒浓度分布和实验山入较大。热态模拟的结果给出了两相速度,气相温度,组分浓度和壁面热流分布。模拟结果定性合理。模拟结果显示在出口处由于气流旋转,有一局部高温区存在。     

动态亚网格二阶矩湍流燃烧模型

在二阶矩亚网格燃烧模型的基础上,考虑了密度脉动,提出了动态亚网格二阶矩燃烧模型(Dynamic-LES-SOM)。在此模型中,反应项由平均反应项和亚尺度反应项组成,所有的系数都是通过动态计算得到。使用该模型对美国Sandia国家实验室Flame C进行了计算,并且与忽略密度脉动的二阶矩亚网格燃烧模型结果进行对比。结果发现,DynamicLES-SOM燃烧模型计算结果与实验值吻合得很好,较忽略密度脉动的二阶矩燃烧模型有所提高。     

一维双流体模型的压力修正算法

针对一维双流体模型,通过推导双流体模型的压力修正方程,及相含率修正方程,将原本应用于单相不可压流动的压力修正系列算法推广至双流体模型求解,提出双流体模型的压力修正算法.在离散过程中运用高阶有界格式,在保证二阶以上精度的基础上克服了由相含率分布的阶跃所造成的数值结果非物理震荡.与公开发表算例进行对比,验证求解的可靠性.     

钝体后湍流预混燃烧的PDF模拟

本文采用PDF方法对矩形燃烧室内钝体后的湍流预混火焰进行了数值模拟。脉动速度-频率-标量联合的PDF输运方程用Monte Carlo方法求解,质量、动量和能量的平均值由基于无结构网格的有限体积法求解,压力通过状态方程获得。PDF方程中所需的平均密度、平均速度和压力由有限体积法提供,并将用Monte Carlo方法求出的雷诺应力、化学反应源项和比热比传递给有限体积法。本文对丙烷和空气燃烧的不同简化化学反应机理进行了研究,并与实验结果进行比较,获得满意的结果。     

钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.     

双流体等离子体模型的动力学可容变分

动力学可容变分方法是一种广义哈密顿系统中的李扰动变换方法,能自动保证卡西米尔函数在相应阶数上的守恒性质.通过动力学可容方法得到了双流体在欧拉描述中的一组约束变分,而后利用这组变分对双流体哈密顿量取极值得到了平衡方程.     

轴对称钝体后湍流扩散燃烧的PDF模拟

在无结构网格中,对轴对称钝体驻定的湍流扩散火焰进行数值模拟．采用有限容积(FV)／Monte Carlo(MC)混合算法求解湍流燃烧问题的混合算法．Monte Carlo法求解脉动速度一标量．频率的联合概率密度函数方程,有限容积法求解平均质量、动量和能量方程．求解的两组方程是相容的,合理的耦合方式可以减少统计偏差,计算精度和效率显著优于单独的颗粒方法．文中对化学反应采用层流火焰面模型,并将数值计算结果与实验结果作了比较和分析．     

旋流燃烧NO生成的USM湍流反应模型

用统一二阶矩(USM)湍流反应模型对不同旋流数下甲烷-空气旋流燃烧NO生成进行了数值模拟,并和EBU-Arrhenius(E-A)燃烧模型对燃烧的模拟结果和简化PDF湍流反应模型对NO生成的模拟结果以及相应的实验结果进行对比。结果表明,USM模型显著地优于E-A模型和简化PDF模型。E-A模型不能合理地模拟有限反应动力学,而简化PDF模型用两个单变量PDF的乘积代替联合PDF,大大地低估了NO湍流反应率。USM模型预报结果和实验结果符合最好。     

湍流燃烧二阶矩模型的大涡模拟验证

对美国Sandia国家实验室测量的甲烷-空气湍流射流火焰进行了三维大涡模拟(LES),其统计的时均量以及脉动量符合实验测量值,且和RANS代数二阶矩湍流燃烧模型模拟结果大致符合。LES统计得到的化学反应率系数脉动和甲烷浓度脉动的互关联与对应的时均量梯度的乘积分布趋势相同,大小幅值的位置也相对应,与二阶矩湍流燃烧模型的封闭假设相符,验证了二阶矩代数燃烧模型的合理性。     

基于多种控制机理的湍流爆炸燃烧模型研究

本文针对狭长受限空间油气爆炸燃烧发生、发展过程特点,建立不同控制机理制约不同反应步的分步反应湍流燃烧模型。该燃烧模型的基本思想在于将化学反应分为两步进行,各步的控制机理不同,各步释放的能量也不同．采用分解、混合、反应的分步方式来模拟油气爆炸燃烧过程,通过实验和数值计算结果表明,该模型能较好解决湍流爆炸燃烧过程的数值模拟问题,其结果与实验吻合很好。     

T-T吸收剂脱硫模型的改进及与双流体模型的耦合

原有T-T吸收剂固硫模型以时间作为反应状态参数,无法用于欧拉法脱硫模拟.为此,基于钙转化率的概念,对已有的T-T吸收剂脱硫模型进行了改进.改进的模型形式简单,反应速率与钙转化率的平方呈双线性分布,模型中快慢反应的转折点和反应终止点均随温度升高而增大,表征了反应活性的提高.进一步推导了吸收剂钙转化率的输运方程并对两相质量守恒方程和SO2组分方程进行了修改,将脱硫模型与两相流模型进行了耦合,为循环流化床脱硫数值模拟打下了基础.     

双流体颗粒-壁面碰撞模型用于旋流流动

对旋流两相流动,用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型,结合二阶矩两相湍流模型和不同颗粒相边界条件,进行了数值模拟。结果表明,由于考虑了各方向雷诺应力之间的相互转化,雷诺应力从平均运动中得到能量,以及壁面对颗粒运动的衰减作用等因素,该颗粒壁面碰撞模型给出的模拟结果与实验符合较好,而广泛应用的零梯度颗粒壁面边界条件给出的模拟结果最差。     

一维双流体分层/段塞流模型的特征根分析

采用特征根方法对描述水平和倾斜管内气液分层流/段塞流的一维双流体模型进行适定性分析.系统分析了气液两相密度、粘性和管道倾角对一维双流体模型适定性的影响。计算结果表明:液相密度、气相粘性和管道下倾角的增大能拓宽方程组求解的适定区域;适定界线与气液两相流流型转变界线之间存在内在联系.     

二阶矩湍流燃烧模型的考虑浮力的DNS及LES检验

本文用谱方法对考虑浮力的三维槽道湍流反应流动进行了直接模拟,用直接模拟统计结果对二阶矩亚网格湍流燃烧模型(SOM-SGS)进行了检验,结果显示SOM-SGS模型具有合理性.进一步用SOM-SGS模型成功预报了甲烷-空气射流火焰,其统计结果显示了RANS模拟中代数SOM燃烧模型的合理性.     

湍流分层燃烧的直接数值模拟和小火焰模型研究

湍流分层燃烧广泛应用于工业燃烧装置,但是目前还比较缺乏适用于湍流分层燃烧的高精度数值模型。本文利用直接数值模拟数据库,对高Karlovitz数分层射流火焰的小火焰模型表现进行了先验性评估。考虑了两种小火焰模型,一种是基于自由传播层流预混火焰的小火焰模型M1,另一种是基于分层对冲小火焰的小火焰模型M2。研究发现M1和M2在c-Z空间的结果与直接数值模拟在定性上是一致的。在物理空间,M2对过程变量反应速率脉动值的预测结果要优于M1.     

湍流两相流动及燃烧的统一关联矩封闭模型

湍流两相流动及燃烧的模拟中常用的各个子模型,如k-8气相湍流模型,Hinze-Tchen颗粒湍流模型及EBU-Arrhenius湍流燃烧模型等,不能正确地反映旋转流与浮力流的各向异性,颗粒气体的湍流相互作用及有限反应率与湍流间相互作用,这些模型在性质上的不同造成理论上不协调和数值解法及程序编制上的不便,本文按作者及其同事们多年的研究经验,把单相湍流代数应力模型的思路推广于有反应两相流中,用统一的关联矩封闭方法处理气相湍流,颗粒湍流及气相湍流燃烧,以便更合理而经济地解决实际工程问题。