甲烷-空气预混湍流燃烧大涡模拟

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1、学号：12105408常州大学硕士学位论文甲烷-空气预混湍流燃烧大涡模拟研究生赵庆良指导教师张琳教授学科、专业名称化工过程机械研究方向湍流燃烧2015年4月LargeEddySimulationofPremixedTurbulentCombustionWithCH4-AirADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByZhaoqing-liang(ChemicalProcessmachinery)DissertationSupervisor:Prof.ZhangLinApril,2015常州大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位

2、论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式标明。本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权的说明本学位论文作者完全了解常州大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属常州大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本

3、学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日中文摘要为了获得甲烷-空气预混湍流燃烧特性，降低氮氧化物排放量，并提高数值计算的准确性与高效性。本文基于层流小火焰（FlameletGeneratedManifolds-FGM）模型、湍流火焰速度封闭(TurbulentFlame-speedClosure-TFC)模型和假定概率密度函数（PresumedProbabilityDensityFunction-PPDF）方法建立了燃烧模型，采用多区域

4、求解方法对某甲烷-空气预混燃烧装置的燃烧过程进行大涡模拟，并结合实验结果研究甲烷-空气燃烧流场的特性。本文的主要工作及相关结论如下：(1)基于甲烷详细化学反应机理(GRI-Meth3.0)，采用化学反应动力学开源软件Cantera计算了不同当量比时甲烷-空气层流预混自由传播火焰，分析了组分质量分数的分布特性以及化学反应速率变化特性。研究表明：剧烈的化学反应发生在极薄的区域内，且当量比为1时化学反应速率最大。(2)根据层流小火焰模型，利用不同当量比甲烷层流预混自由传播火焰的计算结果建立层流FGM(FlameletGeneratedManifolds-FGM)表，采用TFC模型封闭化学

5、反应源项，PPDF方法考虑湍流与化学反应之间的相互作用，并使用beta函数对层流FGM表积分获得湍流FGM表，建立了基于FGM+TFC+PPDF的湍流燃烧模型。(3)采用ICEMCFD分区域对喷嘴部分和喷嘴下游燃烧区划分结构化网格，分别采用多区域和传统单区域求解方法对其进行大涡模拟，两种求解方法计算的结果一致，并把时均速度场、脉动速度场、OH组分浓度场与实验值对比，吻合较好；分析了不同CPU进行并行计算时，多区域比单区域求解方法所能节省时间变化曲线以及多区域求解方法的并行计算加速比。研究表明：多区域求解方法能在保证计算准确性的前提下提高湍流燃烧大涡模拟计算的效率。(4)分析了瞬态温

6、度场和速度场展现出的大尺度涡向小尺度涡转变的过程，基于化学反应方程分析了组分质量分数的瞬态分布特性，着重分析了NO的排放特性。研究表明：NO2的生成量比NO低三个数量级，在高温燃烧条件下，燃烧污染物NOx主要以NO的形式存在，其他氮氧化物的生成量远小于NO。I(5)研究了当量比对流场最高温度和NO生成量的影响，随着当量比增大，最高温度先增大后减小，NO的生成量先升高后减小，最后再升高。研究表明：在燃烧过程中，燃料无法完全燃尽，如只从提高燃烧设备燃烧性能的角度出发，取当量比稍大于1可提高燃烧性能，但综合考虑燃烧性能和NO排放特性，当量比选取0.95左右最合适。本文采用多区域求解方法对

7、甲烷-空气预混湍流燃烧进行大涡模拟研究，为具有复杂结构的先进燃烧动力装置的设计与研制提供准确、高效的方法，对降低甲烷-空气燃烧过程中氮氧化物的排放有一定的工程指导意义。关键词：多区域求解方法；大涡模拟；预混燃烧；燃烧模型；OpenFOAM；并行计算；IIABSTRACTInordertogaincharacteristicsforturbulentpremixedcombustionwithmethane/airandreducedischargeofnitrogen