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燃烧化学机理简化及甲烷湍流射流火焰的直接数值模拟研究

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文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 直接数值模拟的研究意义

1.2 湍流预混火焰DNS的研究进展

1.3 湍流扩散火焰DNS的研究进展

1.4 本文结构及研究内容

2 湍流燃烧直接数值模拟的实现

2.1 基本控制方程

2.2 物质组分的热力学及输运参数

2.3 方程的空间离散

2.4 方程的时间步进

2.5 无反射边界条件的处理

2.6 程序的精度及并行效果

3 化学反应机理的简化

3.1 化学反应机理简化的意义

3.2 机理简化的方法与步骤

3.3 机理简化过程中所用到的软件工具

3.4 机理简化实例分析-基于尿素的SNCR简化机理

4 甲烷湍流预混燃烧的直接数值模拟

4.1 工况说明

4.2 火焰瞬态结构

4.3 火焰与涡团的相互作用-基于状态追踪的定性分析

4.4 火焰与涡团的相互作用-基于火焰面特征量统计的定量分析

4.5 本章小结

5 甲烷湍流扩散燃烧的直接数值模拟

5.1 工况说明

5.2 火焰结构分辨效果

5.3 火焰标量分布分析

5.4 火焰着火过程分析

5.5 湍流对火焰放热的影响

5.6 本章小结

6 全文总结

6.1 结论

6.2 本文的创新之处

6.3 对今后工作的展望

参考文献

作者简历

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摘要

燃烧是能源及动力工程领域一种最基本的能量转化方式,在各类动力设备中,比如锅炉燃烧器及炉堂,燃气轮机,内燃机和航空发动机等,都有广泛的应用。但是,在这些应用中燃烧几乎全部伴随着湍流,湍流使工程中的燃烧问题交得十分复杂。在扩散火焰中湍流对燃料与氧化剂的混合产生影响,而在预混火焰中湍流则会改变火焰的传播速度。对湍流燃烧现象进行深入研究,是对各类动力设备进行设计和改造,提高燃烧效率,降低污染排放的前提。
   本文的研究重心在于利用直接数值模拟手段,对不同火焰中的湍流与燃烧的相互作用微观机理进行研究,以期通过对该机理的深入理解发展新的湍流燃烧模型,最终为工程实践提供指导。直接数值模拟,是近几年才发展起来的一种湍流模拟手段,它能在不引入任何模型误差的情况下完整的记录湍流信息。将其与化学反应相结合,可以详细的模拟湍流燃烧过程,并记录湍流与火焰的相互作用。本文的主要工作就是围绕该模拟方法展开的,而主要针对的是工程中常见的甲烷射流火焰。
   为了提高直接数值模拟的计算效率,本文首先在反应流化学机理简化方面进行了一定的研究,结合与NOx相关的反应机理,阐释了化学机理简化的方法和步骤。然后,对贫燃的甲烷预混火焰进行了直接数值模拟,深入的探讨了涡团所引起的弯曲,拉伸,挤压及应力大小等作用对预混火焰面及燃烧放热的影响,并用概率密度PDF方法阐释了对各种作用之间关系,在国内学者中取得了好评。
   接着,利用三维的直接数值模拟结合简化机理,对带伴流的甲烷/空气扩散火焰进行了数值研究。详细的记录了燃料与氧化剂的混合着火过程,并研究了湍流涡团对该过程的影响,本研究结果能为新的湍流非预混燃烧理论模型的提出作参考。

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