国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

橫射流預(yù)混燃燒的直接數(shù)值模擬研究

2022-03-02 12:54:48程夢真王海鷗樊建人
燃燒科學(xué)與技術(shù) 2022年1期
關(guān)鍵詞:渦量替代物來流

程夢真,王海鷗,羅?坤,樊建人

橫射流預(yù)混燃燒的直接數(shù)值模擬研究

程夢真,王海鷗,羅?坤,樊建人

(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027)

橫射流;預(yù)混燃燒;數(shù)值模擬;熱釋率替代物

橫射流(jet in cross-flow)是指射流以一定的角度注入橫向來流的流動形式.最常見的橫射流是射流垂直注入來流.由于射流與來流的相互作用,橫射流具有復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu).過去的研究詳細(xì)討論了橫射流中發(fā)展段的反旋渦對、位于射流/來流邊界處的剪切渦、近壁面處包裹射流的馬蹄渦和由壁面邊界層發(fā)展出的直立尾流渦[1-3].復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)使得橫射流與自由射流相比具有更強(qiáng)的混合能力,有利于提高燃燒室中的燃燒強(qiáng)度.除此之外,橫射流還可以促進(jìn)火焰穩(wěn)定,被廣泛應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)[4]、噴氣式發(fā)動機(jī)[5]、火箭發(fā)動機(jī)[6]等動力裝置中.

實(shí)際應(yīng)用的橫射流燃燒大多在非預(yù)混條件下進(jìn)行,即射流中只有燃料或氧化劑,相關(guān)的研究成果已非常豐富[7-9].預(yù)混燃燒,尤其是貧燃預(yù)混燃燒,可以有效避免高溫,減少NO等污染物的生成.橫射流預(yù)混燃燒技術(shù)有良好的應(yīng)用前景,但現(xiàn)有的橫射流預(yù)混燃燒研究十分有限.實(shí)驗(yàn)研究方面,Wagner等[10-12]和Pinchak等[13]設(shè)置了乙烯/空氣預(yù)混射流射入高溫丙烷燃燒產(chǎn)物來流的系列實(shí)驗(yàn),研究了不同射流當(dāng)量比、射流溫度和動量比對橫射流流場特性和火焰穩(wěn)定性的影響.他們發(fā)現(xiàn)橫射流火焰存在兩個分支,分別為由自著火控制的迎風(fēng)側(cè)抬升火焰和附著在射流出口附近的背風(fēng)側(cè)火焰.Schmitt等[14]和Kolb等[15]對預(yù)混的天然氣/空氣橫射流燃燒進(jìn)行了多工況下的實(shí)驗(yàn)測量和研究.在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,用數(shù)值模擬的方法可以獲得更多無法測量的變量信息,有利于更加深入的分析.大渦模擬研究方面,Schulz等[16]在Wagner等[12]實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對預(yù)混橫射流的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,探討了迎風(fēng)側(cè)抬升火焰的形成機(jī)理.但是大渦模擬無法求解詳細(xì)的流動和火焰結(jié)構(gòu),具有一定的局限性.直接數(shù)值模擬方法求解所有的流動和火焰尺度,能夠揭示詳細(xì)的橫射流預(yù)混火焰特性.本文將對Pinchak等[13]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直接數(shù)值模擬研究.

熱釋率是火焰的重要物理量,其空間分布可以幫助確定火焰面位置,局部熱釋率還可以表征燃燒速率,但是熱釋率無法在實(shí)驗(yàn)中直接測量得到.為了實(shí)現(xiàn)其間接測量,熱釋率替代物的研究十分重要.熱釋率替代物通常由組分濃度或組分濃度乘積來表示.組分濃度可以用PLIF等方法獲得.過去的文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了多組適用于烷烴燃燒的熱釋率替代物[17-19].比如Wang等[19]用直接數(shù)值模擬的方法對甲烷/空氣預(yù)混自由射流進(jìn)行研究,提出了新的熱釋率替代物.雖然烷烴燃料燃燒中熱釋率替代物的研究較多,烯烴燃料燃燒的熱釋率替代物還需要進(jìn)一步探索和驗(yàn)證.

在上述研究背景下,本文使用直接數(shù)值模擬的方法,對乙烯/空氣橫射流預(yù)混燃燒進(jìn)行研究,展示了橫射流速度場的特點(diǎn)以及燃燒對其速度場的影響,提出了不同的熱釋率替代物并進(jìn)行了驗(yàn)證.

1?算例設(shè)置與數(shù)值方法

圖1?橫射流預(yù)混燃燒算例示意

本文使用的直接數(shù)值模擬程序[21]由FORTRAN 90語言編寫,使用MPI(Message Passing Interface)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多核并行運(yùn)算.完整的可壓縮Navies-Stokes方程、能量方程、組分方程和連續(xù)方程在三維笛卡爾網(wǎng)格上進(jìn)行求解;采用六階段四階顯式Runge-Kutta方法進(jìn)行時間推進(jìn),采用八階中心差分的方法進(jìn)行空間離散,使用十階過濾消除高頻數(shù)值振蕩.采用22組分的簡化乙烯機(jī)理[22]來描述乙烯燃燒,該機(jī)理已經(jīng)在自著火、層流火焰?zhèn)鞑サ扔嬎阒械玫津?yàn)證.

2?結(jié)果與討論

2.1?速度場特點(diǎn)及燃燒對其影響

Wagner等[11]提供了射流當(dāng)量比為1.2、不同動量比實(shí)驗(yàn)條件下的橫射流軌跡(由中心流線定義).值得注意的是本文的射流當(dāng)量比為0.6,在沒有化學(xué)反應(yīng)參與的情況下,當(dāng)量比并不是決定橫射流發(fā)展的主導(dǎo)因素,所以本文將仍然用動量比相同而當(dāng)量比不同的兩個無反應(yīng)工況進(jìn)行對比.計算得到的橫射流軌跡與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果如圖2所示.首先對比流動算例與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比在上游偏移較小,在下游彎折較大.但整體與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近,證明了數(shù)值模擬的可信度.對比流動算例與燃燒算例的計算結(jié)果,可以看出有化學(xué)反應(yīng)的情況下射流更加深入來流.燃燒時氣體溫度升高,速度增加.射流的速度衰減變緩,呈現(xiàn)出更加深入來流的軌跡.

圖2?中心流線定義的橫射流軌跡

橫射流的速度場分布比較復(fù)雜.下面將對射流方向速度、來流方向速度以及與射流軌跡相關(guān)的速度進(jìn)行分析,并對比純流動和燃燒算例的結(jié)果以探究燃燒對橫射流速度場的影響.

圖3 流動算例和燃燒算例的平均速度在對稱平面內(nèi)的分布

圖4?對稱平面內(nèi)不同高度對應(yīng)的x方向平均速度分布

圖5?對稱平面內(nèi)平均速度和射流速度沿射流軌跡的分布

橫射流存在復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu),具有特點(diǎn)的渦結(jié)構(gòu)受到廣泛的關(guān)注.圖6展示了對稱平面內(nèi)和=平面內(nèi)的渦量分布.由圖6(a)和(b)中可以看出,射流出口處由于剪切最強(qiáng),所以渦量最大.另外,迎風(fēng)側(cè)的來流/射流剪切層和背風(fēng)側(cè)回流區(qū)都具有較大的渦量.與流動算例相比,燃燒使得橫射流下游的湍流更快地耗散,渦量較?。畧D6(c)展示出了流動算例中的反旋渦對,可以看出渦對處具有較大的渦量且有復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu),而圖6(d)則說明相同位置的湍流由于燃燒的作用有較大程度的耗散,反旋渦對已無法用渦量清晰展示.

圖6?對稱平面內(nèi)及x=d處流動算例和燃燒算例的渦量分布

綜上所述,燃燒使得流速衰減更慢,湍流耗散更快,射流軌跡更深入來流.

2.2?熱釋率替代物分析

圖7?、和在對稱平面內(nèi)的瞬時分布

圖8?歸一化組分濃度乘積關(guān)于歸一化熱釋率的散點(diǎn)圖

表1 組分濃度乘積分布與熱釋率分布的相關(guān)系數(shù)

Tab.1 Correlation coefficients between heat release rate and its surrogates

3?結(jié)?論

[1] Moussa Z M,Trischka J W,Eskinazi S. The near field in the mixing of a round jet with a cross-stream[J].,1977,80(1):49-80.

[2] Cortelezzi L,Karagozian A R. On the formation of the counter-rotating vortex pair in transverse jets[J].,2001,446:347-373.

[3] Muppidi S,Mahesh K. Two-dimensional model problem to explain counter-rotating vortex pair formation in a transverse jet[J].,2006,18(8):085103.

[4] Fric T F,Roshko A. Vortical structure in the wake of a transverse jet[J].,1994,279:1-47.

[5] Karagozian A R,Wang K C,Le A T,et al. Transverse gas jet injection behind a rearward-facing step[J].,1996,12(6):1129-1136.

[6] Humble R W,Henry G N,Larson W J.[M]. McGraw Hill Publishing Co.,1995.

[7] Grout R W,Gruber A,Yoo C S,et al. Direct numerical simulation of flame stabilization downstream of a transverse fuel jet in cross-flow[J].,2011,33(1):1629-1637.

[8] Sullivan R,Wilde B,Noble D R,et al. Time-averaged characteristics of a reacting fuel jet in vitiated cross-flow[J].,2014,161(7):1792-1803.

[9] Steinberg A M,Sadanandan R,Demb C,et al. Structure and stabilization of hydrogen jet flames in cross-flows[J].,2013,34(1):1499-1507.

[10] Wagner J A,Grib S W,Renfro M W,et al. Flowfield measurements and flame stabilization of a premixed reacting jet in vitiated crossflow[J]. C,2015,162(10):3711-3727.

[11] Wagner J A,Grib S W,Dayton J W,et al. Flame stabilization analysis of a premixed reacting jet in vitiated crossflow[J].,2017,36(3):3763-3771.

[12] Wagner J A,Renfro M W,Cetegen B M. Premixed jet flame behavior in a hot vitiated crossflow of lean combustion products[J].,2017,176:521-533.

[13] Pinchak M D,Shaw V G,Gutmark E J. Flow-field dynamics of the non-reacting and reacting jet in a vitiated cross-flow[J].,2019,37(4):5163-5171.

[14] Schmitt D,Kolb M,Weinzierl J. Ignition and flame stabilization of a premixed jet in hot crossflow[C]//2013. San Antonio,USA,2013:GT2013-94763.

[15] Kolb M,Ahrens D,Hirsch C,et al. A model for predicting the lift-off height of premixed jets in vitiated cross flow[C]//2015. Montréal,Canada,2015:GT2015-42225.

[16] Schulz O,Piccoli E,F(xiàn)elden A,et al. Autoignition-cascade in the windward mixing layer of a premixed jet in hot vitiated crossflow[J].,2019,201:215-233.

[17] Paul P H,Najm H N. Planar laser-induced fluorescence imaging of flame heat release rate[J].(),1998,27(1):43-50.

[18] Nikolaou Z M,Swaminathan N. Heat release rate markers for premixed combustion[J].,2014,161(12):3073-3084.

[19] Wang H,Hawkes E R,Zhou B,et al. A comparison between direct numerical simulation and experiment of the turbulent burning velocity-related statistics in a turbulent methane-air premixed jet flame at high Karlovitz number[J].,2017,36(2):2045-2053.

[20] Hawkes E R,Chatakonda O,Kolla H,et al. A petascale direct numerical simulation study of the modelling of flame wrinkling for large-eddy simulations in intense turbulence[J].,2012,159(8):2690-2703.

[21] Chen J H,Choudhary A,de Supinski B,et al. Terascale direct numerical simulations of turbulent combustion using S3D[J].

,2009,2(1):015001.

[22] Luo Z,Yoo C S,Richardson E S,et al. Chemical explosive mode analysis for a turbulent lifted ethylene jet flame in highly-heated coflow[J].,2012,159(1):265-274.

[23] Pinchak M D,Shaw V G,Gutmark E J. The effects of nozzle geometry and equivalence ratio on a premixed reacting jet in vitiated cross-flow[J].,2018,191:353-367.

[24] Muppidi S,Mahesh K. Direct numerical simulation of round turbulent jets in crossflow[J].,2007,574:59-84.

[25] Su L K,Mungal M G. Simultaneous measurements of scalar and velocity field evolution in turbulent crossflowing jets[J].,2004,513:1-45.

[26] Gordon R L,Masri A R,Mastorakos E. Simultaneous Rayleigh temperature,OH- and CH2O-LIF imaging of methane jets in a vitiated coflow[J].,2008,155(1/2):181-195.

(責(zé)任編輯:武立有)

Direct Numerical Simulation of Premixed Reacting Jet in Cross-Flow

Cheng Mengzhen,Wang Haiou,Luo Kun,F(xiàn)an Jianren

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

jet in cross-flow;premixed combustion;numerical simulation;heat release rate surrogate

TK11

A

1006-8740(2022)01-0049-07

2021-04-20.

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項目(52022091);國家自然科學(xué)基金重大研究計劃集成項目(91841302).

程夢真(1997—??),女,博士研究生,chengmengzhen@zju.edu.cn.Email:m_bigm@tju.edu.cn

王海鷗,男,博士,研究員,wanghaiou@zju.edu.cn.

猜你喜歡
渦量替代物來流
RP-3航空煤油及其替代物液滴低壓著火特性
兩種典型來流條件下風(fēng)力機(jī)尾跡特性的數(shù)值研究
能源工程(2022年2期)2022-05-23 13:51:48
熱泵系統(tǒng)R410A制冷劑的替代物研究
化工管理(2022年7期)2022-03-23 07:44:08
含沙空化對軸流泵內(nèi)渦量分布的影響
不同來流條件對溢洪道過流能力的影響
自由表面渦流動現(xiàn)象的數(shù)值模擬
彈發(fā)匹配驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)來流快速啟動技術(shù)研究
航態(tài)對大型船舶甲板氣流場的影響
The application of numerical simulation of delta wing with blunt leading edge using RANS/LES hybrid method
痰標(biāo)本替代物的抗酸染色效果分析
龙里县| 怀宁县| 安远县| 桐城市| 溧水县| 芷江| 汝阳县| 南涧| 灌云县| 洪湖市| 曲麻莱县| 永安市| 灵宝市| 双流县| 贡觉县| 延安市| 瑞丽市| 吴忠市| 孟连| 滦平县| 襄垣县| 阿合奇县| 沐川县| 北安市| 永寿县| 红河县| 周宁县| 长子县| 永靖县| 六安市| 登封市| 积石山| 句容市| 博罗县| 民乐县| 横峰县| 慈利县| 临沭县| 恩平市| 砀山县| 孝感市|