受限空间内湍流部分预混燃烧特性及模型研究

Turbulent partially premixed (TPP) combustion resulted from inhomogeneous reactant mixture is often found in practical combustion devices. The complex flow phenomena such as recirculation zone, impinging jet, shear layer, strong secondary vortex occurring in the confined combustion chamber have important influence on the properties of TPP combustion, e.g. NOx emission, flame extinction/reignition, lean blow-off, thermo-acoustic resonance. Large eddy simulation (LES) of TPP combustion with the well-known dynamically thickened flame (DTF) model is faced with a critical bottleneck, i.e. it is incapable of accounting for the detailed reaction mechanism. The present project expressly pointes out that the bottleneck can be broken through by coupling the recently developed reaction-diffusion manifolds (REDIM) technique with the DTF modeling strategy. Based on this idea a new sub-grid scale combustion model is constructed, which is capable of simulating the confined TPP combustion and can also predict NOx emission accurately. At the same time, a novel designed TPP burner is studied experimentally by means of multiple approaches simultaneously, aiming to provide detailed information about velocity field, flame front structure, temperature, NOx emission and so on. After a reliable validating of the accuracy of the new combustion model, detailed experimental data and highly accurate LES results are analyzed together for obtaining a deep insight of the interaction mechanism between turbulent flow structure and flame structure, for grasping influencing law of various combustion state parameters on NOx emission, and for revealing complex physical chemistry process such as flame extinction/re-ignition in the confined TPP combustion. The present project can hence provide a theoretical guidance for developing highly efficient and ultra low NOx emission TPP combustion technology.

受限空间内存在的回流区、碰撞射流等复杂流动现象对湍流部分预混（TPP）燃烧的NOx生成、熄火/再燃、贫燃吹熄等现象有重要影响。采用动态增厚火焰（DTF）燃烧模型对TPP燃烧进行大涡模拟（LES）计算时面临着一个‘瓶颈’：难以考虑详细反应机理。本项目明确提出将新近发展的化学反应－扩散流形技术耦合到DTF模化方法中，可以有效突破该‘瓶颈’，并基于此构建了一新的亚网格燃烧模型，既能计算TPP燃烧模式又能准确预测NOx的排放。同时，利用多种实验手段对一个设计新颖的TPP燃烧器内的速度场、火焰面结构以及温度、NOx等的分布进行了测量。在可靠校核新模型精度的基础上，对比分析LES计算结果与详细的实验数据，深入了解受限空间内湍流结构与火焰结构相互作用的内在机理，掌握各种燃烧状态参数对NOx生成的影响规律，揭示受限空间内熄火/再燃等复杂物理化学过程，为发展高效、超低NOx排放的TPP燃烧技术提供理论指导。

在工程实际的燃烧装置里，由于燃料与空气的混合时间很短使得混合气难以达到完全预混合状态，导致湍流部分预混（TPP）燃烧模式的广泛存在，相比于纯粹的预混和非预混火焰，人们对TPP燃烧现象的认识还不够深入。本项目采用大涡模拟（LES）和实验测量相结合的方法对TPP的燃烧特性及湍流－燃烧相互作用机理进行了研究。.首先利用LES方法对某燃气轮机模型燃烧室中的燃气小孔入流及燃气混合现象进行了详细计算，研究发现：在该燃烧室中混合气的当量比变化范围非常大，甚至超出了可燃界限，这就要求在对其中的TPP现象进行计算时不能采用过于简化的反应机理，否则难以覆盖当量比变化范围而导致大的计算误差。.本项目针对TPP的LES计算，基于反应-扩散流形(REDIM)方法和假定滤波概率密度函数(PFDF)方法，构造了一种REDIM-PFDF 亚网格燃烧模型。首先采用该燃烧模型对Darmstadt湍流分层火焰进行了计算，仔细分析了不同的剪切效应、分层效应下火焰传播机理的不同，研究发现：当剪切效应增强时，湍流增强可促进燃气的混合，使分层效应被弱化，从而焰前支持火焰传播模式概率增加，火焰的稳定性减弱。随后对悉尼大学测量的非均匀射流TPP火焰进行了LES计算，并将计算结果与实验数据进行对比，研究表明：在所计算的多个工况下，大涡模拟预测得到的温度、CO2、CO 等组分与实验值吻合良好，且LES预测得到射流吹熄速度为128m/s与实验结果的114m/s很接近，这表明REDIM-PFDF模型在计算部分预混燃烧方面的良好能力。.本项目在实验研究方面设计、制造了一个新颖的可视化燃烧器，并成功申请了3项发明专利。利用PIV、高速摄像机、压力传感器等手段对其中的火焰进行了测量。测量发现：受限空间中的火焰呈现出两种不同的形态：V型和M型，且不同的火焰形态对应的压力波动幅值存在明显的差异。通过改变流动参数，可以实现M型和V型火焰的转换。对实验测量的火焰也进行了LES计算，很好地复现了湍流火焰的传播特性，捕捉到了V－M火焰的转变过程。.通过本项目的研究，对湍流部分预混火焰的特性有了更深入的了解，可为新型燃烧装置的研制提供一些理论指导。