三股射流系统中二维非稳态火焰面/过程变量模型研究

Three-stream combustion system is a core unit of an advanced technology for improving thermal efficiency and reducing pollutant emissions, which consists of a fuel jet, a recirculation jet of hot combustion products and surrounding air flow. The majority of current combustion models seems hardly to simulate the interaction among the three streams without an extension from 1D to 2D in mixture-fraction space. We, therefore, propose a 2D-UFPV (two-dimensional unsteady flamelet/progress variable) model. This model, since it describes the mixing and reaction process in the three-stream system and reflects the characteristic of the unsteady combustion, can be used to simulate the various and complex combustion phenomena in the three-stream system. In order to completely validate the 2D-UFPV model, combining the 2D-UFPV model with the LES, we will simulate a number of complex combustion phenomena in the three-stream system such as the lifted flames stabilized by autoignition or MILD combustion. This study, is not only an innovation of turbulent combustion modeling, but also the comprehensive simulations of complex phenomena of turbulent combustion, is very meaningful for the understanding the mechanism of flame stability and developing advanced combustion technology.

三股射流燃烧系统是一类先进的高效低污染燃烧技术的核心单元，由燃料流、热产物循环流和空气流组成。目前大多数燃烧模型是在单个混合分数基础上发展的一维燃烧模型，很难模拟三股射流的相互作用，因此本项目将原来的一维模型在混合分数空间上进行扩展，提出了一种全新的二维非稳态火焰面/过程变量模型。该模型能够描述三股射流系统中反应物的混合过程和反应过程，反映非稳态燃烧的特性，可用于模拟三股射流系统中的多种复杂燃烧现象。本项目将结合大涡模拟方法对三股射流系统中自点火稳定的抬升火焰、无焰燃烧稳定的抬升火焰，以及无焰燃烧稳定的抬升火焰到自点火稳定的抬升火焰的转变进行模拟，完善和全面验证本项目建立的二维非稳态/过程变量模型。本项目的研究既是湍流燃烧模型研究的创新也是对复杂湍流燃烧现象的全面模拟，无论对于火焰稳定机制的理解，还是先进的高效低污染燃烧技术的发展都具有重要意义。

三股射流燃烧系统是目前比较先进的高效低污染燃烧技术的核心单元，根据不同的实际需要，既可以采用燃料流、热产物循环流和空气流，也可以采用燃料流，稀释空气流和空气流。三股射流的组分变化会形成各种各样的燃烧效果，因此数值模拟是三股射流燃烧系统设计的关键环节，而数值模拟的核心问题就是三股射流的湍流燃烧模型。在本项目中，我们建立了混合分数空间的二元火焰面模型，并在三股流动系统中进行了数值验证；针对三股流动的复杂混合特性，我们研究了小尺度标量的混合；分析了标量入口边界条件对湍流射流火焰抬升行为的影响；对点火的瞬态过程这一典型的非稳态燃烧过程进行了模拟并对其进行定量表征；完成了过渡火焰与抬升火焰的模拟和稳定机制的研究。结果包括：建立了双守恒标量的二元火焰面模型；发现了小尺度标量混合的双峰分布特征，这是标量混合的一种固有特性，与标量的ramp-cliff结构有关；火焰抬升的敏感程度与Da数有关，Da数较大的火焰，不容易形成抬升，而Da数小的火焰则很容易抬升；钝体燃烧器点火过程可以用组分定量表征出四个阶段：点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功，符合人们对点火物理过程的一般性认识；抬升火焰由自点火过程稳定，过渡火焰由部分预混燃烧稳定，发现了完全不同的火焰稳定机制。上述研究既有对湍流燃烧模型研究的创新，也有对复杂湍流燃烧现象的深入认识，对发展先进的高效低污染燃烧技术具有重要的意义。