冲击射流预混火焰的数值模拟

冲击射 流 预 混 火焰 的数 值 模 拟
张建 辉，尹 ຫໍສະໝຸດ Baidu ，陈永辰 ，戴 韧
（ 海 理 工 大学 能源 与动 力 工 程 学 院 上 海 ２ ０ ９ ） 上 ００３
摘
要： 采用 Ｆ Ｕ ＮＴ软件 ，选择标准 舡 模型、 ａＧ 模型、低雷诺 ｓ ＬＥ Ｒ Ｎ 模型 （ ｂ． ｏ ｄｈ Ａ ｅＫ ｎｏ ．
Ｎ ｇ ｎ 对 停 滞板 燃 烧 器 内冷 态 流场 进 行 数 值 模 拟 ，然 后将 模拟 结 果和 实验 结 果进 行 比较 。结 ａ ａ） 果表 明 ，Ｒ ￡ 型 和 Ａ Ｎ （ ｅＫｏ ｄｈＮ ｇ ｎ 模 型得 到 的 结果 与 实验 结 果 比较 接 近 。用 ＮＧ 模 Ｋ Ａｂ — ｎ ｏ － ａ ａ） Ｒ －模 型 和 Ａ ｅ ｎ ｏ — ｇｎ模 型 对停 滞板 燃 烧 器的预 混 燃烧 进 行 数 值 模拟 ，通 过与 实 ＮＧ ｋｃ ｂ — ｄｈＮａａ Ｋｏ
计算，发现 Ｒ Ｇ Ｎ 模型的预测结果远好于标准 模型，但是仍然高于实验结果。Ａ ｄｔ ｌ ３ ｏ１ 采
用 低雷 诺 占 型 （ ｂ ． ｏ ｄ ｈＮａ ａ ） 模 Ａ ｅＫ ｎ ｏ — ｇｎ 并增 加 了一个 阻尼函数 （ ａ ｉｇ ｆｎ ｔ ｎ 以减少 近壁 Ｄ ｍｐｎ ｕ ｃｉ ） ｏ 面区射 流撞击 壁面 的影 响，发现对 轴对称 冲击 射流 的冷态流 场 的预测 结果非 常接近 实验 结果 。 Ｘｉ ｉｎ ａ ｇ等［应 用直 接数值 模拟方 法 （ ＮＳ 对 非预混 冲击射 流火焰 进行 了研 究，发现 外 部扰动 Ｊ ４ １ Ｄ ） 几 乎不影 响近壁 面 区的燃烧 ， 击射流 火焰 的近壁 面边界 层位 于粘性 底层 ， 示 了低 雷诺 数冲 冲 揭
击 射流火 焰 的基 本特 征 。Ｙ ｎ．ｈｎ ｈｎ ｕ ｇＣ ｅｇ Ｃ ｅ
ｏ 用相 关 ＰＶ技术 对贫 氢／ Ｊ 运 Ｉ 空气 （ ） ＨＬ 、贫丙
烷／ 空气 （Ｌ 、富氢／ ｅ） 空气 （ Ｒ 三种预混火焰进行了详细的实验研究，提 出了湍流消耗速度的 Ｈ ） 概 念 ， 能够 直接用 于 预混火焰 的实 际化 学过程 中而不涉 及薄 火焰假 设 ， 它 本文 的物 理模 型和实 验 数据均 来 自于此 。 本 文在 Ｆｕ ｎ ． ｌｅｔ６３ ６平 台上 ，分别采用 不 同的湍流 模型对 停滞 板燃烧 器冷 态流场 进行 数值 模拟 并加 以分析 ， 过对停 滞板燃 烧器 冷态流 场 的计 算结 果和 实验结 果的 比较 ， 通 选取合 适 的湍 流模 型对 Ｈ Ｒ火 焰进行研 究 ， 以考 察该湍 流模型对 ＨＲ火 焰 的预测 能力 。
收稿 日期 ：２ １— ９２ ０００—０ 作者简介：张建辉 （９ ４ ） １８ ～ ，男 （ ，硕 士研究生 ， ｉ ｈ ｉ ａｇ ２ ． ｍ 汉） ｊ ｎ ｕｚ ｎ ＠１ ６ ： ａ ｈ ｃ ｏ
第 １ 期
张建辉，等： 冲击射 流预混火焰 的数值模拟
３ ９
１ 停 滞板 燃烧 器 的冷 态 流 场模 拟
验 结 果 的 比较 ，评 价 了 两种 湍 流 模 型对 停 滞 板 预 混 燃 烧 的数 值 预 测 能 力 。
关 键 词 ： 停 滞 板 燃 烧 器；预 混 燃 烧 ； ＮＧ肛 建 ＡＫ 模 型 Ｒ 型； Ｎ
中图分类号： Ｔ ３ ． Ｑ０ ８ ４
文献标识码： Ａ
湍流预 混燃 烧广 泛应 用 于汽车 发动 机 、燃气 轮机 和锅 炉 。工业 上 为 了设计 燃烧 室和 优化
能源 研 究 与 信 息
第２ ７卷 第 １ 期
Ｅ ｅｇ ｎ ｒ ｙＲｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄＩ ｆ ｒ ｔ ｎ ｓ ａ ｃ ｎ ｎ ｏ ｍａｉ ｏ Ｖｏ ． ７ Ｎｏ １ ２ １ １２ ． ０ １
文 章 编 号 ： １０ — ８ ７ ２ １） 卜０ ３ － ８ ０ ８ ８ ５ （０ ０ ０ ８ ０ １
燃 烧器效 率 ，需要 依靠 实际 的火 焰条件 准确地 预测 湍流燃 烧 的燃 烧状 况 。因此 ，湍 流预 混火焰
的研究 具有很 大的 实际意义 。
Ａｓｆｒ ｈｏｔ ｌ 用标 准 模 型对轴 对称 冲击射 流场进 行数值 计算 ，通 过与 实验结 果的 比 ｈ等 ｌ Ｊ 采 较 发现 ，标 准 ｋｃ 型对冲 击射流场 射流 中心 线和射 流边界 上 的湍 动 能分布 的数值 预测 结果很 －模 差 ，数值 预测 结果远 高于实验 值 。陈庆 光等 采用 Ｒ 占 型对 轴对 称冲击 射流 进行 了数值 ＮＧ 模
由式 （） （） 得射流 雷诺 数 Ｒ ＝４０ ４ ２ 、 ３可 ｅ ５ 。
整个计 算 区域是轴 对称 的 ，故 取流场 的 一半作 为计算 区域 。为方 便计算 ，取停 滞板 半径 为 ３ ｉ。 同时为 了简化 问题 ，在计 算 中假 设流 动 为定常 、不可 压缩 ，且不 计重 力 的影 响 。 ０ｒ ｎ ａ 在指 定 的计算 区域 ，本 文 不考虑 旋 流器 内部 的流 场状 况 ，而 是根 据 实验测 得 旋流 器 出 口 处 的流场 特 性 ， 通过 自定 义函数 来确 定燃烧 器 出 口轴 向速度 【 和旋流 速度 沿 径 向分布【，见 ， ７ 】 图２ ，其 中， 为流场 中任 意 一点到 中心轴 线 的距 离 。
１１ 算例描述 及湍 流模 型 ．
本文对 文献 ［ 、６ 中的实验进行计 算 ，计算模 型如 图 １ 示 ，从一根 内径 为 ２ ＩＩ ５ ］ 所 ０１Ｉ 的长 圆 ＴＴ 管喷 出的湍流空气 射流通过 旋流器垂直 喷射到底 部足够大 的停滞板 上 。燃烧 器 出 口到停 滞板 的
距离 为 ３ ３ ｍｍ，旋流器 厚度 为 １ ｌ ，中心 孔直径 为 ５ＲＩ，１ ０ ｎｌ ｒ３ ＩＩ ２个叶 片均匀 分布在 中心孔 附 Ｔ 近且 每个 叶片与轴 线方 向的倾 斜 角０ ３ 。 ＝ ０ 。本文 中旋 流数 定义 为【 ５ 】
ｕ一 ：下 广 １ ＼， （） １
３１ （ ＇ ）Ｉ ｝一Ｄ／ Ｄ
式 中，Ｄ 、Ｄ分 别是 旋流器 中心 孔与燃 烧器 出口的直径 。 由式 （） １ 确定旋 流器 旋流 数 为 ０３ 。 ．８
又 有
Ｒ Ｐ： （） ２
Ｕｂ －
㈥
式 中， 和 分别 是燃烧 器 出 口的轴 向速度 与 体均速 度 ，ＴＳ ； 是空气 运动 粘性 系数 ， ． 。 １． Ｉ～ ｍ２ ～ ｓ