CH4O2N2层流火焰瞬态响应特性数值分析.pdfVIP

计 算 物 理 第23卷第2期 v01．23．N0．2 CHINESE OFCOMPUTATIONALPHYSICS 2006年3月 JOURNAL M。．j2006 [文章编号】1001．246X(2006)02—0193—06 CH4／02／N2层流火焰瞬态响应特性数值分析 王海峰， 陈义良， 陈华蕾， 刘明侯 (中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥230027) [摘要] 3．0机理(包 用数值分析方法研究CH4／02，N：层流扩散火焰的瞬态响应特性．采用详细的GRI—Mech 含53种组分，325个基元反应)描述CH4氧化和NO。生成．首先比较火焰面稳态结构的计算结果和实验数据， 以验证数值方法的可靠性．用台阶跃变的火焰拉伸率来模拟瞬态流场对火焰面局部结构的影响，给出了火焰面 结构(温度、组分浓度)的瞬态响应曲线，分析了火焰面的响应特性．着重探讨了不同拉伸率跃变幅度对响应 特性的影响，发现火焰面的响应对于拉伸率正向跃变和负向跃变并不对称，而是相反，且在小的拉伸率跃变范 围内火焰面响应时间和拉伸率跃变幅度近似成反比关系．另外，温度的平均响应时间远大于一个典型湍流燃烧 场的流动时间尺度，说明火焰面非稳态效应对于湍流燃烧数值模拟有重要意义． [关键词] 层流扩散火焰面；详细化学反应机理；拉伸率；瞬态响应；氮氧化物 [中图分类号]TQ038．4 [文献标识码】 A 0 引言 近20年来，拉伸层流火焰面的稳态结构和非稳态动力学特性一直受到研究人员的关注¨刮，这是因为 拉伸层流火焰面在湍流燃烧的数值模拟中有很高的应用价值．湍流燃烧过程当中，当火焰面厚度小于湍流最 于这种模式发展起来的，并且成为目前较为成功的湍流燃烧模型之一． 火焰面模型的基本思想是将湍流燃烧的火焰面看成一个拉伸的层流火焰面系综，在湍流涡旋的作用下， 火焰前沿被拉伸和扭曲成为一个“皱褶”的火焰面，但每个火焰面的片断仍然可以看成是一个层流的火焰面． 稳态的火焰面模型中，每个层流火焰面可以仅仅由两个参数描述：混合物分数及其耗散率．然而，稳态的火焰 面模型中忽略了一个非常重要的影响——非稳态的影响．湍流是一个高度不均匀非定常的环境，存在很强的 湍流脉动，湍流脉动的时间尺度有可能小于控制扩散火焰行为的扩散时间尺度，这样，湍流的脉动作用就和 分子输运过程和化学反应过程耦合在一起，共同控制了火焰面的行为特征．忽略了非稳态影响的稳态火焰面 模型有可能对湍流燃烧的预测产生比较大的偏离，例如污染物(一氧化氮)的预测值比实验值偏高大约一个 量级‘引． 研究火焰面非稳态动力学特性的思路主要是对层流火焰面参数施加一定的时间变化，来模拟湍流流场 的影响，考察火焰面结构的时间响应特性．变化参数可以选择速度或者标量的边界条件，变化方式有台阶跃 变式幢。、脉冲式哺’和周期振荡形式…．相对而言台阶跃变式最简单，却研究的最少，Darabiha心’对台阶跃变的 拉伸率作用下火焰面的响应进行了数值模拟，但只是描述现象，没有从物理机理方面给予合理解释，没有考 虑不同拉伸率跃变幅度的影响．为此，我们选择台阶跃变的参数变化方式，分析火焰面的动力学响应特性，重 点考察不同拉伸率跃变幅度的影响，期望对这一方式下的火焰面动力学特性有更深的了解．文献上关于火焰 面非稳态动力学特性的研究一般都忽略了污染物NO。的响应特性(除了文[7])，本文采用含氮化学的甲烷 究主要集中于数值模拟方面，受到实验条件的限制，实验方面的研究还很少，而非稳态燃烧在工程燃烧问题 中具有重要意义，因此数值模拟成为研究非稳态燃烧的一个重要工具，本文对此作了有益的尝试． [收稿日期】2004一12—20；[修回日期】2005—04—19 【基金项目]国家重点基础研究专项经费(No．G1999022207)和国家自然科学基金(No资助项目 [作者简介】王海峰(1977一)，男，江苏盐城，研究生，