等离子体点火器湍流扩散燃烧数值模拟分析

论文摘要

等离子体点火器是等离子体技术在动力与能源工程领域中应用而产生的一种新型点火装置。在上世纪八十年代末，等离子体点火理论并不成熟的情况下，已经开始了航空与陆用燃气轮机燃烧室点火过程中的应用。同时等离子体点火技术在电厂煤粉燃料无油点火和稳定燃烧过程及在各类高温热工设备的燃料点火和燃烧工艺中已经开始了应用。等离子体点火器的高密度能量对空气或可燃混合物进行热学作用，产生大量等离子体活性载体，使燃烧室点火的贫燃料和富燃料极限范围变宽，点火的可靠性增强。同时加速了化学反应，燃料燃烧效率提高，节约了燃料，而对燃烧室来说，燃烧的稳定性也增强了。进入等离子体点火器内的空气和雾状燃料经历的过程非常复杂，它涉及气体湍流流动、传热、传质、化学反应、辐射等过程。对描述其过程的非线性控制微分方程组，到目前还无法用解析法解出。对于燃烧设备来说，如果不能深刻理解和准确描述其工作过程，就很难将其变成更有效工作的装置。本文对等离子体点火器内燃烧过程进行了三维模拟。对实际的几何模型，建立了非预混湍流扩散燃烧数学物理模型，给出其控制微分方程组。（1）对湍流模型，选用了标准κ-ε湍流模型，RNGκ-ε湍流模型，分别进行了模拟计算，分析和比较了速度场、湍流动能、湍动能耗散率计算结果。认为RNGκ-ε湍流模型考虑了强流线弯曲、旋涡和旋转作用，而对等离子体点火器更合适。（2）对辐射传热过程，采用了离散传播辐射（DTRM）模型和离散坐标（DO）辐射模型，分别进行了模拟计算，分析和比较了温度场、速度场和吸收系数，（DO）辐射模型给出辐射温度分布。认为在离散坐标（DO）辐射模型中考虑了碳黑颗粒的影响、散射的影响，对局部热源问题可给出更好计算方法，因此可以更好地描述实际过程。（3）运用湍流燃烧理论对等离子体点火器内湍流燃烧过程进行了分析和描述。采用局部化学平衡假设的快速化学反应系统，选定燃料、空气及中间产物共15种。将化学模型模拟出的平均混合分数、各组分的质量分数计算结果与燃烧学的基本理论相结合描述了系统燃烧化学的反应机理。（4）采用大涡模拟和亚网格尺度模型，分析了不同时刻的温度场、速度场的发展进程。（5）对等离子体点火器计算区域空间离散化引入贴体坐标系统，使用非结构化网格进行离散，用有限体积法离散控制方程，在交错的非结构化网格上使用了SIMPLE算法和SIMPLEC。对不同工况不同控制方程，使用不同离散格式。所选用的格式有：一阶迎风格式、二阶迎风格式和QUICK格式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 国内、国外热等离子体发生器与反应器简介
• 1.2 等离子体点火器在国内和国外的发展简介
• 1.3 燃烧数值模拟简介
• 1.4 非线性理论在燃烧领域中的应用
• 1.5 本文工作的主要内容
• 第2章 燃烧的基本概念
• 2.1 燃烧基本概念
• 2.2 化学动力学
• 2.2.1 化学反应速率及反应速率常数
• 2.2.2 动力学近似
• 2.2.3 反应机理
• 2.2.4 典型氧化反应机理
• 2.3 燃烧的着火概念及几种点燃方法
• 2.3.1 着火概念
• 2.3.2 几种点燃着火的方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 相关湍流燃烧理论及模型
• 3.1 湍流燃烧的自湍化理论初步
• 3.2 湍流燃烧模型中普遍采用的假设和概念
• 3.2.1 湍流燃烧现象
• 3.2.2 湍流燃烧速率
• 3.2.3 燃烧的化学反应分类
• 3.2.4 简单化学反应（SCRS）系统
• 3.2.5 守恒量和混合分数
• 3.2.6 几率分布函数（又称概率密度函数）
• 3.3 湍流燃烧模型
• 3.3.1 湍流扩散火焰的κ-ε-g模型
• 3.3.2 湍流预混火焰模型
• 3.3.3 其它湍流燃烧模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 燃烧过程中传热与两相流
• 4.1 燃烧流场中的热辐射
• 4.1.1 火焰的热辐射
• 4.1.2 辐射传热的模型
• 4.2 两相流理论
• 4.2.1 描述两相流动的基本方法
• 4.2.2 稀相流动的基本分析和颗粒的湍流扩散
• 4.3 燃烧过程中碳黑
• 4.3.1 碳黑的类型
• 4.3.2 湍流扩散火焰中碳黑的生成
• 4.3.3 液体燃料燃烧时碳黑生成的影响因素
• 4.4 本章小结
• 第5章 数学物理模型
• 5.1 基本控制方程
• 5.1.1 连续性方程
• 5.1.2 动量方程
• 5.1.3 能量方程
• 5.2 湍流模型
• 5.2.1 标准κ-ε模型
• 5.2.2 RNGκ-ε模型
• 5.2.3 壁面函数法
• 5.2.4 大涡模拟（LES）
• 5.3 非预混湍流扩散燃烧模型
• 5.3.1 化学反应局部平衡假定
• 5.3.2 混合分数输运方程
• 5.3.3 湍流——化学反应相互作用的PDF模型
• 5.4 辐射模型
• 5.4.1 辐射传热方程
• 5.4.2 离散传播辐射（DTRM）模型
• 5.4.3 离散传播（DTRM）辐射模型的边界条件
• 5.4.4 离散坐标（DO）辐射模型
• 5.4.5 离散坐标（DO）辐射模型边界条件
• 5.4.6 DO辐射模型中颗粒的影响
• 5.4.7 辐射灰气体加权平均模型（WSGGM）
• 5.4.8 碳黑（SOOT）对吸收系数的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 燃烧过程数值模拟
• 6.1 等离子点火器几何模型
• 6.2 数值模拟的意义
• 6.3 数值求解步骤
• 6.4 积分区域网格化
• 6.4.1 贴体坐标网格
• 6.4.2 积分区域离散
• 6.5 有限体积法
• 6.5.1 有限体积法特点
• 6.5.2 加权余量法
• 6.6 基于非结构化网格的SIMPLE算法
• 6.6.1 非结构化网格及控制体积定义
• 6.6.2 通用控制方程的离散
• 6.6.3 动量方程离散
• 6.6.4 速度修正方程
• 6.6.5 压力修正方程
• 6.6.6 非结构网格上的SIMPLE算法
• 6.7 边界的处理
• 6.7.1 边界条件
• 6.7.2 边界条件引入到离散方程
• 6.7.3 壁面边界上离散方程源项的构造
• 6.8 数值计算方法中几点说明
• 6.8.1 交错网格
• 6.8.2 松弛因子
• 6.8.3 对称边界条件
• 6.9 本章小结
• 第7章 三维湍流扩散燃烧数值模拟结果分析
• 7.1 等离子体点火器内湍流燃烧过程机理分析
• 7.2 湍流——化学反应相互作用的PDF模型模拟结果
• 7.2.1 化学反应基本组分及中间组分预测
• 7.2.2 非预混模型的预处理（prePDF）查询表
• 7.2.3 非绝热系统查询表结果
• 7.3 不同湍流模型模拟结果比较
• 7.3.1 标准κ-ε湍流模型和RNGκ-ε湍流模型的特点
• 7.3.2 相关参数与边界条件
• 7.3.3 模拟结果分析
• 7.4 不同辐射模型模拟结果比较
• 7.4.1 离散坐标辐射模型和离散传播辐射模型的特点
• 7.4.2 相关边界条件及参数
• 7.4.3 数值模拟结果分析
• 7.4.4 由系统化学组分分析燃烧过程
• 7.5 大涡模拟和亚网格尺度模型在湍流燃烧流场中的应用
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历