预混火焰点燃的理论和模拟文献综述

 2022-10-30 09:10

文献综述（或调研报告）：

基于上文节点一所陈述，当前基于湍流预混、非预混火焰的数值模拟研究主要朝向两个方面：其一为基于经典燃烧理论的模型开发，该条件下研究的重心为开发更能表征火焰复杂过程的模型，并在此基础上研究简单火焰形态下的稳定性过程。自1990s，大涡模拟（LES）的方法逐步得到应用并取代之前的平均数值方法，在对于瞬态过程的求解方面起到了重要作用。期间基于统计理论、几何理论的多种燃烧模型也逐步被开发，除湍流破碎模型（EBM）和湍流耗散模型（EDM）在对预混火焰的处理上由理论上的缺陷外[16]，其它模型基本上都能对较常规的预混火焰情况有较好的处理。更新的水平集法（Level-set approach）和其它类似于C-equation法的模拟项简化方法更解决了工程中典型火焰机理下的薄火焰面下求解域分辨率不足的问题。

数值模拟研究的第二个方面在于运用成熟的模型于工程实践，解决参数设计问题。数值模拟解决燃烧问题在近世纪有取代实验方法之势，在求解精度允许的情况下，得解可为航空领域提出指导。与课题直接关联的再点火条件下，文献总结温度、燃料当量的影响趋势呈现单调关系[11]，但流场、湍流情况的影响是震荡的，而且是相互耦合的[13] [14]。流质湍流的特性将影响其流场，流场亦使得湍流维持或增强。该背景下的燃烧情况已有很多研究，但对于引燃情况的研究还很少。Cohen et al.[3]对于燃气轮机燃烧情况的综述表明：稀薄燃烧在直接提高空间燃烧效率，在抑制NOx排放中由明显作用。受制于金属的温度耐性，燃烧的全局空燃比AFR接近0.5。Bane[1]实验总结的再引燃条件曲线中，成功引燃曲线位于稳定燃烧曲线内，即工程实际要求要在流场温度受限的情况下，配置流场和湍流情况在尽可能低的燃料当量下实现点燃。多方面因素总结：再点火问题为最新配置的稀薄燃烧器的严峻问题，对其进行数值模拟具有重要意义。对于数值模拟的结果，考虑到湍流流场的随机性，所得解需在实验条件下进行概率性测试，以确认其正确性。

为更加深入了解湍流等多参数对燃烧室内引燃状况的影响，燃烧数值模型被不断得到应用和开发。Lacaze et al.[9]实现了大涡模拟 (LES) 条件下的气体燃料射流引燃情况的研究，找出了非预混引燃的优势区，预测了火焰核心震荡发展过程中气体动力学造成局部熄灭的现象。Gicquel et al.[4]的大量工作总结了工业条件下的湍流反应流的数值模拟，实现了全尺度的模拟，环形燃烧室整体的压力特征、温度特征和火焰位移特征第一次在数值模拟中得以呈现。此类大型的数值实验均是在固定的参量下进行的，其真实反映的结果在于验证模型的健壮性和准确性。相比之下的参数研究，必须对模型进行简化，以满足重复性参数试验的需要。

燃烧计算流体力学因其多参变性和模型的复杂性，对计算资源提出了很高的要求，针对研究的重心对模型进行简化因此是必要的。Jones and Tyliszczak[8]采用简化四阶机理和Goudler层流燃烧速度煤油的模拟，求解Eular-Lagrange表达的喷雾引燃pdf方程。但相比下Boudier et al.[2]进行的二阶预混n-decane中，将分散相拟为Pseudo-fluid伪流，得到了相似的结果。虽LES相对于RANS有明显的各向异性表现上的优势，RANS依然可以最为初步计算的参考。对于初阶段的研究，简化条件下的得解依然是和复杂配置下的得解有一定程度吻合的。

针对参数配置和软件操作方面的细节为后阶段研究的重点。参数配置方面，文献综述过程得出：课题中所采用的偏离工况情况需根据实际情况重新计算；湍流-化学的耦合过程需要根据实际火焰不稳定性进行研究，并最终反映在数值模拟所需配置的参变量上；引火源的模拟需接近真实的面引燃器[10]，其效应可参考Ishii et al.[5]和Thiele et al.[15]先前的结论。对于具体的配置细节，应当参阅CD-Adapco提供的资料。

作为总结，燃烧速率作为燃烧学中研究的重点，亦为本课题中重点解决的问题，但不难预期，在复杂的流动环境中，火焰相对速度与流场自身速度相叠加，能够得到的关于燃烧速率的结论是有限的。火焰速度于湍流在物理表征层面的结论被众多研究者总结，重点表述为其与几个特征数的关系。Peng[12]通过高速摄影机实现预混火焰和紊流间的交相干涉，实现了湍流燃烧速度St与先前预测值的验证。在固定ursquo;/SL(lt; 1)时，有明显的Lewis数(Le)效应，即ST/SL值在Le lt; 1高出ST/SL在Le gt; 1时之值甚多。 湍流燃烧速度随湍流强度单调增加，但其增幅受到Le和Re的影响而有所不同。火焰变形率和球型态（湍流火焰核心）同样对局部的火焰传播速度造成影响。Jenkins et al.[6]基于直接数值模拟（DNS）的研究提供了局部火焰速率统计特性的参考表达，给出了不同因变标量（affecting quantities）导致的湍流火焰速度成分的变化。结果表明，小直径火焰核心情况下的曲折表面（curvature）加剧了不稳定性，但燃尽区内的扩张气团可抑制火焰面的进一步曲折，让火焰面呈现层流的趋势。Jenkins et al.[7]的研究基于薄反应区（thin-reaction-zones）理论，研究显示球形扩张火焰团呈现具有局部随机特性的0.7 lt; c lt; 0.9 的曲折火焰面（预热区）纵深 。但同时，延伸的火焰团亦可能出现局部熄灭，这可以解释为Darrieus-Landau不稳定性和液动力不稳定性共同促成的结果。该研究采用的单阶简化化学机理与实验结果相吻合的特性证明：单阶化学机理可用于工程层面的定性研究。这奠定了本课题的物理化学基础。

参考文献：

  1. Bane S P M. Spark ignition: experimental and numerical investigation with application to aviation safety[D]. California Institute of Technology, 2010.
  2. Boudier G, Gicquel L Y M, Poinsot T, et al. Comparison of LES, RANS and experiments in an aeronautical gas turbine combustion chamber[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2007, 31(2): 3075-3082.
  3. Cohen H, Saravanamuttoo H I H, Rogers G F C,. Gas turbine theory[M]. Pearson Education, 2001.
  4. Gicquel L Y M, Staffelbach G, Poinsot T. Large eddy simulations of gaseous flames in gas turbine combustion chambers[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2012, 38(6): 782-817.
  5. Ishii K, Tsukamoto T, Ujiie Y, et al. Analysis of ignition mechanism of combustible mixtures by composite sparks[J]. Combustion and flame, 1992, 91(2): 153-164.
  6. Jenkins K W, Cant R S. Curvature effects on flame kernels in a turbulent environment[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2002, 29(2): 2023-2029.
  7. Jenkins K W, Klein M, Chakraborty N, et al. Effects of strain rate and curvature on the propagation of a spherical flame kernel in the thin-reaction-zones regime[J]. Combustion and flame, 2006, 145(1): 415-434.
  8. Jones W P, Tyliszczak A. Large eddy simulation of spark ignition in a gas turbine combustor[J]. Flow, turbulence and combustion, 2010, 85(3-4): 711-734.
  9. Lacaze G, Richardson E, Poinsot T. Large eddy simulation of spark ignition in a turbulent methane jet[J]. Combustion and Flame, 2009, 156(10): 1993-2009.
  10. Lefebvre A H. Gas turbine combustion[M]. CRC Press, 2010.
  11. Matalon M, Cui C, Bechtold J K. Hydrodynamic theory of premixed flames: effects of stoichiometry, variable transport coefficients and arbitrary reaction orders[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2003, 487: 179-210.
  12. Peng, G. R., Propagation of premixed flames in low intensity turbulence and extinguish in high intensity turbulence. National Central University. Master thesis. 2002
  13. Read R W, Rogerson J W, Hochgreb S. Flame imaging of gas-turbine relight[J]. AIAA journal, 2010, 48(9): 1916-1927.
  14. Subramanian V, Domingo P, Vervisch L. Large eddy simulation of forced ignition of an annular bluff-body burner[J]. Combustion and Flame, 2010, 157(3): 579-601.
  15. Thiele M, Warnatz J, Maas U. Geometrical study of spark ignition in two dimensions[J]. Combustion Theory and Modelling, 2000, 4(4): 413-434.
  16. Veynante D, Vervisch L. Turbulent combustion modeling[J]. Progress in energy and combustion science, 2002, 28(3): 193-266.

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