强迫对流环境下单油滴燃烧的数值模拟

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液雾两相湍流燃烧的CFD数值模拟在工程中,例如能源、交通、化工及冶金以及航天航空等工业中有广泛的应用,已经成为一种重要的设计手段,液雾燃烧的大涡模拟日益成熟,最近正在向工程应用的方向靠近,主要应用于大部分内燃机以及燃气轮机的燃烧室内液雾燃烧的CFD数值模拟。目前对液雾燃烧的模拟的模型,存在一定的弊端,不能完整的表现出液雾燃烧的特性。本文基于单个油滴燃烧的特性进行了数值模拟研究,应用fluent6.0模拟软件,采用一步总包有限反应速率模型模拟了不同相对速度、颗粒尺寸、环境温度条件下单个油滴燃烧,为液雾燃烧提供了一个更好的模拟基础。模拟研究具有普遍意义,适用于大部分液体燃料,本文在燃料上选择了乙醇。模拟结果与周力行提出的三种火焰模态全包火焰、半包火焰和降落伞火焰一一对应,完全符合真实的火焰燃烧。对于全包围燃烧模态,火焰半径的模拟结果与周力行的理论解析解进行对比发现,周的理论解在周向角小于90°范围内和数值模拟结果接近,大于90°,理论解不能精确预测火焰锋面半径;油滴表面局部蒸发率较尾部火焰燃烧模态下的蒸发率小;油滴气液界面上的速度值分布不均匀,前驻点最大,后驻点最小,这也进一步说明了油滴燃烧过程中表面蒸发率不均匀;单油滴燃烧状态下由于表面蒸发,阻力系数要比冷态条件下的单油滴所受阻力小,随着来流速度的增大,阻力系数减小。随着周围环境温度的升高,阻力系数随之减小。燃烧状态下油滴颗粒的阻力系数要比冷态条件下的阻力系数小,不能简单套用Wallis-Kliachko公式计算。通过模拟单个油滴的燃烧的特性,对液雾燃烧模型改进具有一定的基础指导意义,而且对工程上存在液雾燃烧的内燃机和燃气轮机改进及优化也具有一定的参考价值。
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