稀燃湍流预混火焰特征及燃烧模型研究

To achieve high thermal efficiency and low NOx emissions, many modern gas turbines employ lean premixed turbulent combustion, which involves complex turbulence/chemistry interaction, flame instability, pollutant formation and other issues at high Karlovitz (Ka) numbers. The current proposal aims to develop an advanced new solver for direct numerical simulation (DNS) of chemically reacting flow based on open-source program OpenFOAM. The new high fidelity solver employs unstructured grids, detailed chemistry reaction rates and transport process. Large hydrogen carbon fuels n-heptane/air mixture will be used in a jet in hot coflow burner to study turbulent premixed flame at high Ka. The detailed flame structures, statistical analysis of flame curvature, strain, stretch on flame displacement speed, key elementary reactions and heat release rate will be studied. Meanwhile, high resolution laser induced fluorescence and laser Rayleigh scattering will be used to achieve multi-species and temperature measurement. Furthermore, the DNS and experimental results are used to validate and improve the coupled LES/PDF/CCM method in turbulent premixed flame. The state-of–art DNS, advanced turbulent combustion model and laser diagnostic techniques in the proposal can improve the fundamental understanding on the complex turbulence/chemistry interactions, local extinction/re-ignition and NOx/CO formation.

现代动力装置常采用贫燃预混燃烧模式来提高热效率和减少NOx排放,其中涉及高Karlovitz数下复杂的湍流化学相互作用、火焰稳定以及污染物生成等问题。本项目基开源代码OpenFOAM，通过改进详细的化学动力学和组分输运过程，发展一个适用于非结构网格、化学反应流、高精度的直接数值模拟求解器；研究大分子碳氢燃料在高Karlovitz数射流热伴流火焰中的火焰结构、定量化火焰结构描述，探明燃料的刘易斯数、火焰面曲率、变形、拉伸等对火焰位移速度、重要基元反应和放热率的影响。同时，在一个射流热伴流燃具上，使用激光诱导荧光和瑞利散射实现多组份和温度的测量。基于实验和DNS数据库，验证大涡模拟/概率密度函数/化学坐标映射（LES/PDF/CCM）耦合方法在湍流预混火焰中的应用。揭示湍流/火焰相互作用机理、以及局部熄火/再燃和NOx/CO的生成机制。

发展先进的LES/PDF湍流燃烧模型，深入研究大分子碳氢燃料在湍流/化学相互作用下的局部熄火/复燃的瞬态变化，是实现高效率清洁燃烧，优化燃烧室设计的重要方法。. 精确的湍流燃烧模型对于研究湍流/燃烧相互作用机理至关重要。目前，LES/PDF方法是最有潜力，但也是相当复杂和耗时的湍流燃烧模型。大部分的商业软件和开源软件中没有植入相应的方法，或者其算法不够稳定，不能开源等。因此无法采用这些的软件中的LES/PDF方法进行湍流/燃烧相互作用机理的研究。为此，我们开发了基于开源代码OpenFOAM的LES/PDF湍流燃烧模型，采用欧拉随机场方法求解LES/PDF湍流燃烧模型，耦合化学反应加速算法CCM，解耦了对流、扩散、随机和化学过程，求解过程更加稳定，计算精度有所提高，优化CPU之间索引化学坐标映射网格的方法，实现了运算负载平均分配，进一步提高了整体计算效率。. 湍流化学相互作用在喷雾两阶段点火中非常重要。因此，我们对Spray A火焰中使用改进的欧拉随机场大涡模拟（ESF/LES）方法开展了输运概率密度函数的亚网湍流燃烧模型研究，考虑了三个环境温度（800 K、900 K和1000 K），来研究冷焰对喷雾点火和火焰稳定性的影响。我们在国际上首次通过高精度数值模拟的方法在三维空间发现低温冷焰的传播过程。. 大分子碳氢燃料低温化学反应对稀燃预混火焰的火焰传播速度的影响同样是未知的。因此，我们针对不同的条件进行3D LES和2D LF数值模拟，研究刘易斯数以及LTI反应对火焰结构的影响，确定了不同状态下控制反应前沿传播速度的机制。. 了解高Ka数下预混湍流火焰特征对于开发高效率、低排放的燃烧室至关重要。我们采用LES/PDF方法对高Ka数甲烷/空气湍流预混射流火焰特征进行了研究。验证了该模型在高湍流条件下的适用性。. 此外，我们还拓展性地在OpenFOAM平台开发了火焰爆炸模式CEMA，识别出扩散、点火、熄火三种不同的模式，并且对影响燃烧过程非常重要的喷雾模型进行了优化。. 以上原创性湍流燃烧模型的优化和开发，为燃烧研究特别是湍流燃烧的研究，提供了新的手段，扩展了LES/PDF的适用范围，保证了计算高效性和稳定性，可以加快其在工业自主CFD软件中的应用。