燃烧室数值模拟计算

在计算燃烧流动问题时,除了对流动进行计算外,还需考虑个组分之间的化学反应。在实际的燃烧过程中,会存在大量不同的化学反应,而不同化学反应之间的反应速率可能会存在几个量级的差别,从而对燃烧的精确数值求解带来较大的麻烦。本算例利用商业软件对甲烷预混气体燃烧进行了求解,为之后的自主程序的研发提供了对比数据。计算时的几何模型如图1所示,网格示意图如图2所示:



                      图1. 几何模型示意图

 

 

                     图2. 网格示意图

本算例采用了大涡模拟进行计算,对于化学反应则采用简化的二步反应,即

         

入口处的预混气体当量比为0.6,速度为42m/s,压力为1atm,温度为200℃,出口处的压力为1atm。除堵头外的壁面设置为绝热壁面,堵头的温度设置为300k,换热系数为200W/(m2·K)。计算的时间步长为5×10-5s。在进行LES非定常计算之前,先利用RANS模型将流场及温度场计算至稳态。

 

                图3.纵向截面瞬时流向速度分布

 

 

              图4. 横向截面瞬时流向速度分布

 

34为纵向截面和横向截面的瞬时流向速度分布图,从图中可以看出,气流在经过旋流器后,径向外侧加速形成了高速区,而内侧气流则发生了回流。在实际应用中,这种情况对于旋流器而言是不利的,因此需要对旋流器的位置以及相关几何进行调节。而在进入燃烧室后,回流区的存在增加了火焰的稳定性。

5所示的是纵向截面的瞬时温度分布图,从图中看出,在经过旋流器后,径向内侧形成了高温区,而外侧为低温区,这是由于气流在经过旋流器后,旋流所具有的离心效应使得密度大的未燃气体在离心力的作用下从内向外运动,而密度小的易燃气体从外向内运动。

 

              图5.纵向截面瞬时温度分布