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          強湍流貧預混燃燒研究取得進展
          发稿时间:2019-06-11         作者:于宗明          来源:先進燃氣輪機實驗室     【字号:

            貧預混燃燒是燃氣輪機廣泛采用的低汙染燃燒技術。燃燒室內部的流動具有湍流強度高(u’/SL>10)、旋渦尺度範圍廣(l/lL>10)、局部拉伸率大(KaL>1)等特點,而預混火焰的傳播過程對流動的擾動極其敏感,所以貧預混火焰往往難于在較寬的工況範圍內組織和穩定,從而限制了燃氣輪機的低汙染工作性能。深入研究強湍流流動下的預混火焰結構和局部火焰傳播規律可以爲理解和預測湍流預混火焰宏觀燃燒行爲提供依據,進而支撐貧預混燃燒裝置的設計優化,是國際燃燒領域長期的研究熱點。 

            工程熱物理研究所先進燃氣輪機實驗室航改机科研团队对处于薄反应层区域(Thin Reaction Zones Regime)的湍流預混火焰結構開展了分析研究工作,著重探討了旋渦流動引發的跨火焰鋒面的標量輸運現象(見圖1)對局部火焰一維結構和傳播規律造成的影響。通過分析最新的實驗和直接數值模擬結果,研究團隊對傳統湍流預混火焰模型所采用的拓展火焰面假設(Extended Flamelet Assumption)提出了修正,即:在強湍流流動的拉伸作用下,預混火焰並不是一張連續的、將反應物與産物完全分隔開的三維曲面(見圖2a),其局部存在由于淬熄而形成的破洞,在流動的作用下,少部分反應物(或産物)會穿過破洞與火焰鋒面另一側的産物(或反應物)接觸混合,改變局部火焰下遊(或上遊)的標量狀態,進而影響火焰的一維結構、傳播速度和演化過程(見圖2b)。 

            基于上述觀點,研究團隊構建了適用于強湍流預混火焰的一維物理模型(見圖3)和相應的數學模型。通過量綱分析,獲得了這一模型的4個無量綱控制參數;通過分區近似,推導了局部火焰傳播速度和火焰厚度的理論分析解;通過數值模擬,研究了跨火焰面標量輸運對預混火焰結構、傳播速度和化學反應路徑的影響,驗證了理論分析結果。研究表明(見圖4和圖5),跨火焰面的能量輸運可以顯著地提高局部火焰傳播速度,並使火焰鋒面增厚;焰前、焰後自由基的交換輸運可以觸發火焰預熱區內部的化學反應,增加火焰鋒面上遊的反應活性,進一步加速局部火焰的傳播,強化湍流預混燃燒;值得關注的是,跨火焰面的組分輸運直接導致了部分關鍵自由基濃度的雙峰分布和焰後氫氧基高濃度分布特征,這些現象均與結合詳細化學反應機理的直接數值模擬結果吻合,體現出了本模型區別于傳統模型的優勢。 

            以上述工作爲基礎,研究團隊還將結合數值模擬和實驗持續開展進一步的研究,詳細探討湍流預混火焰的動力學傳播過程,修正和完善適用于CFD計算的湍流燃燒模型,爲湍流預混燃燒的精准預測提供支持。 

           

           

           

           

           

           
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