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强湍流贫预混燃烧研究取得进展

  

  贫预混燃烧是燃气轮机广泛采用的低污染燃烧技术。燃烧室内部的流动具有湍流强度高(u’/SL>10)、旋涡尺度范围广(l/lL>10)、局部拉伸率大(KaL>1)等特点,而预混火焰的传播过程对流动的扰动极其敏感,所以贫预混火焰往往难于在较宽的工况范围内组织和稳定,从而限制了燃气轮机的低污染工作性能。深入研究强湍流流动下的预混火焰结构和局部火焰传播规律可以为理解和预测湍流预混火焰宏观燃烧行为提供依据,进而支撑贫预混燃烧装置的设计优化,是国际燃烧领域长期的研究热点。

  工程热物理研究所先进燃气轮机实验室航改机科研团队对处于薄反应层区域(Thin Reaction Zones Regime)的湍流预混火焰结构开展了分析研究工作,着重探讨了旋涡流动引发的跨火焰锋面的标量输运现象(见图1)对局部火焰一维结构和传播规律造成的影响。通过分析最新的实验和直接数值模拟结果,研究团队对传统湍流预混火焰模型所采用的拓展火焰面假设(Extended Flamelet Assumption)提出了修正,即:在强湍流流动的拉伸作用下,预混火焰并不是一张连续的、将反应物与产物完全分隔开的三维曲面(见图2a),其局部存在由于淬熄而形成的破洞,在流动的作用下,少部分反应物(或产物)会穿过破洞与火焰锋面另一侧的产物(或反应物)接触混合,改变局部火焰下游(或上游)的标量状态,进而影响火焰的一维结构、传播速度和演化过程(见图2b)。

  基于上述观点,研究团队构建了适用于强湍流预混火焰的一维物理模型(见图3)和相应的数学模型。通过量纲分析,获得了这一模型的4个无量纲控制参数;通过分区近似,推导了局部火焰传播速度和火焰厚度的理论分析解;通过数值模拟,研究了跨火焰面标量输运对预混火焰结构、传播速度和化学反应路径的影响,验证了理论分析结果。研究表明(见图4和图5),跨火焰面的能量输运可以显著地提高局部火焰传播速度,并使火焰锋面增厚;焰前、焰后自由基的交换输运可以触发火焰预热区内部的化学反应,增加火焰锋面上游的反应活性,进一步加速局部火焰的传播,强化湍流预混燃烧;值得关注的是,跨火焰面的组分输运直接导致了部分关键自由基浓度的双峰分布和焰后氢氧基高浓度分布特征,这些现象均与结合详细化学反应机理的直接数值模拟结果吻合,体现出了本模型区别于传统模型的优势。

  以上述工作为基础,研究团队还将结合数值模拟和实验持续开展进一步的研究,详细探讨湍流预混火焰的动力学传播过程,修正和完善适用于CFD计算的湍流燃烧模型,为湍流预混燃烧的精准预测提供支持。