喷雾蒸发与燃烧的数值模拟及部分先验性分析

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liu_kai5189
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喷雾的蒸发与燃烧有着广泛的应用背景,在火箭发动机、航空发动机、内燃机、燃气轮机以及燃油锅炉等动力与能源设备中有着广泛的应用。同时,喷雾的蒸发与燃烧又是一类复杂的物理化学现象,具有湍流、两相流动以及燃烧过程所特有的所有问题,以及不同过程耦合所引入的新的问题。因此,对喷雾蒸发与燃烧现象的研究,既有很强的实际应用价值,又有很重要的科学意义。由于喷雾蒸发与燃烧现象的复杂性,现有的模型还存在诸多的问题。对喷雾蒸发与燃烧现象中各微观过程进行深入的分析,以对喷雾蒸发与燃烧模型中各子模型进行扩充与改进,是提升现有模型预测性能的有效途径之一。验证这些子模型的有效性、改进子模型的精度、扩充子模型的应用范围、建立新的子模型以考虑新的现象等工作统称为喷雾蒸发与燃烧模型的先验性分析。本文针对喷雾蒸发与燃烧模型,主要做了三个方面的先验性分析。首先,利用PIV测量系统,研究了燃油燃烧器后的气相旋流场,并与常用湍流模型的预测结果进行了分析、比较与评价。其次,从基本控制方程入手,建立了高温对流环境中单液滴瞬时蒸发与燃烧模型,模型中考虑了液滴内部环流、气相边界层流动等详细结构,并利用数值计算的方法对模型进行了求解,并利用计算的结果分析了常用喷雾模型中两相间传热传质子模型。最后,利用商业CFD软件Fluent,构建并求解了高温对流环境中不同布置方式时双液滴的瞬态蒸发与燃烧模型,以此来研究稀疏喷雾中液滴之间的相互作用规律。研究结果表明:燃油燃烧器后的实际流场为复杂的三维瞬态湍流流动,具有强烈的非稳定性和随机性;旋流射流的衰减没想象的那么剧烈,后期的混合也比较强烈;流量不同对主流区的影响要强于对中心回流区的影响;四种湍流模型中,RNG k-湍流模型具有最好的预测性能,且其对于流动早期的预测精度要强于流动后期。液滴的蒸发和燃烧为一瞬态过程,火焰形态由尾部火焰逐渐发展为包覆火焰;在液滴生存期的大部分时间内,D2定律基本适用;流场温度越高,环境压力越大,液滴越小,火焰发展越快,液滴生存期越短;常用CFD软件中的两相传热传质子模型中液滴零维假设以及过多传热传质经验公式是制约模型的通用性与精确性,进而影响模型预测能力的关键问题。双液滴的瞬态燃烧过程与单液滴类似;2.0d为液滴间相互作用强烈与否的临界距离;平行布置的双液滴的相互影响强度大于数值布置的情形;通过引入液滴群模型,可以最大化的考虑液滴之间的相互作用。
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