同軸射流旋流燃燒室內(nèi)湍流旋流流動(dòng)的數(shù)值模擬

同軸射流旋流燃燒室內(nèi)湍流旋流流動(dòng)的數(shù)值模擬

同一源流暢流燃燒和燃料廣泛應(yīng)用于各種工程燃燒設(shè)備中。研究多股同軸旋轉(zhuǎn)射流在同向旋轉(zhuǎn)與反向旋轉(zhuǎn)等條件下的相互作用,對(duì)于控制并降低燃燒過程中NOx等污染物的生成與排放,發(fā)展高效低污染旋流燃燒技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用意義。旋流燃燒室內(nèi)有多股同軸旋轉(zhuǎn)射流相互作用的流動(dòng)為典型的湍流旋流流動(dòng)。針對(duì)湍流旋流流動(dòng)的模擬目前已發(fā)展并應(yīng)用了多種不同的湍流模型理論,如各種修正的k-ε模型、非線性k-ε模型、重整群(RNG)k-ε模型、雙尺度k-ε模型、Reynolds應(yīng)力輸運(yùn)方程模型和代數(shù)Reynolds應(yīng)力模型等。為了能合理地考慮旋流場(chǎng)中湍流-旋流的相互作用及湍流輸運(yùn)的各向異性,同時(shí)又不至于增加過大的計(jì)算量,本文對(duì)同軸射流旋流燃燒室內(nèi)湍流流動(dòng)的模擬采用了一種新的代數(shù)Reynolds應(yīng)力封閉模型。旋流燃燒室進(jìn)口處通過旋流器葉片產(chǎn)生的旋流時(shí)均速度分布通常具有較大的不均勻性,文獻(xiàn)對(duì)突擴(kuò)燃燒室內(nèi)湍流旋流流動(dòng)的模擬表明,燃燒室進(jìn)口處氣體速度分布的合理選取與給定對(duì)流場(chǎng)模擬結(jié)果的影響較大。同軸射流旋流燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流間的相互作用顯然受到燃燒室進(jìn)口處同軸射流入流參數(shù)的影響。為了得到合理的時(shí)均流場(chǎng)分布預(yù)報(bào)結(jié)果,本文針對(duì)同軸旋轉(zhuǎn)射流的條件,研究了在進(jìn)口處給定不同的速度分布對(duì)燃燒室內(nèi)同軸射流湍流旋流流動(dòng)模擬結(jié)果的影響。1基于代次性模型的自適應(yīng)建設(shè)圖1所示的同軸射流旋流燃燒室內(nèi)時(shí)均定常、軸對(duì)稱的湍流旋流流動(dòng),可由一組包括連續(xù)、軸向、徑向與切向動(dòng)量方程在內(nèi)在控制方程組來描述。對(duì)該方程組中包含的未知湍流脈動(dòng)關(guān)聯(lián)項(xiàng)的封閉采用一種新的代數(shù)Reynolds應(yīng)力模型。這一新的代數(shù)應(yīng)力模型在w?v,u?v和?/?r??/?x的條件下可給出各Reynolds應(yīng)力分量的如下的顯式表達(dá)式以上公式中引入的各向異性湍流粘性系數(shù)的表達(dá)式為式中上述的Reynolds應(yīng)力分量表達(dá)式與湍能k及湍能耗散率ε有關(guān),為此還需要求解它們各自的輸運(yùn)方程。本文采用標(biāo)準(zhǔn)形式的k-ε模型方程,但對(duì)這兩個(gè)方程中湍能產(chǎn)生項(xiàng)的封閉則直接利用了上面給出的Reynolds應(yīng)力分量表達(dá)式。2旋轉(zhuǎn)射流場(chǎng)模擬結(jié)果的數(shù)值計(jì)算在網(wǎng)格單元的控制體上對(duì)湍流旋流流動(dòng)的各控制方程利用混合格式或QUICK格式進(jìn)行差分離散。對(duì)各變量的差分方程組采用TDMA法逐線掃描迭代求解,對(duì)連續(xù)方程和動(dòng)量方程的聯(lián)立耦合迭代求解則采用SIMPLE算法。本文對(duì)圖1所示同軸射流旋流燃燒室內(nèi)兩股射流為同向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)的兩組工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。為便于將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比,兩組工況的參數(shù)均按文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件選取。旋流燃燒室直徑取為14.5cm,長(zhǎng)度為16.7cm,內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流管的內(nèi)徑和外徑分別取為3.72cm和3.81cm。為研究進(jìn)口條件即速度分布的選取對(duì)旋流燃燒室內(nèi)流場(chǎng)模擬結(jié)果的影響,計(jì)算中按兩種不同的方式給定了燃燒室進(jìn)口處的氣體軸向與切向速度分布。一種是取文獻(xiàn)給出的進(jìn)口處氣體軸向與切向速度分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值;另一種則是按該文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)工況條件簡(jiǎn)單地取進(jìn)口處內(nèi)外旋轉(zhuǎn)射流的軸向與切向速度分別為均勻分布。在后一種情況下,對(duì)同向旋轉(zhuǎn)射流工況,進(jìn)口處內(nèi)外旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度分別按它們的平均值取為29.6m/s和20.1m/s,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)射流的切向速度則按旋流數(shù)分別為0.58和0.54而取為25.8m/s和15.5m/s。對(duì)反向旋轉(zhuǎn)射流工況,進(jìn)口處內(nèi)外旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度由各自的平均值分別取為30.3m/s和20.3m/s,按照旋流數(shù)分別為0.49和-0.51,內(nèi)外旋轉(zhuǎn)射流的切向速度分別取為22.3m/s和-14.7m/s。無(wú)論進(jìn)口處的氣體軸向與切向速度取何種分布,進(jìn)口處的氣體徑向速度均取為零,而內(nèi)外旋轉(zhuǎn)射流的湍能及湍能耗散率則按各自速度的平均值計(jì)算出。上述兩組工況的計(jì)算均在燃燒室半個(gè)縱向截面的求解域上采用了相同的非均勻交錯(cuò)網(wǎng)格系,沿軸向和徑向分別選取布置了25和24個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)。在內(nèi)外兩股射流的交界區(qū)域,旋轉(zhuǎn)射流之間的相互作用較強(qiáng),變量沿徑向的梯度較大。在此區(qū)域內(nèi)適當(dāng)?shù)丶用芫W(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的布置,對(duì)迭代的收斂和得出合理的計(jì)算結(jié)果具有不容忽視的作用。3軸向與切向速度分布的對(duì)比圖2a、2b給出在同向旋轉(zhuǎn)射流與反向旋轉(zhuǎn)射流工況下采用混合格式和QUICK格式對(duì)同軸射流旋流燃燒室內(nèi)氣體切向速度分布的計(jì)算結(jié)果及其與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。由該圖可以看出,在r/Ri>2的外部區(qū)域,兩種格式的計(jì)算結(jié)果相差很小,二者均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。在r/Ri<2的中心區(qū)域和兩股射流交界區(qū)域,兩種格式的計(jì)算結(jié)果雖略有差異但仍較為接近,同向旋轉(zhuǎn)射流工況比反向旋轉(zhuǎn)射流工況計(jì)算出的氣體切向速度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得更好一些。這些結(jié)果說明,對(duì)本文使用的網(wǎng)格系和結(jié)點(diǎn)數(shù)目,由混合格式和QUICK格式得出的計(jì)算結(jié)果相差不大。因此本文的其它計(jì)算結(jié)果均為采用混合差分格式得出。圖3a、3b給出進(jìn)口軸向與切向速度在采用均勻分布和實(shí)驗(yàn)測(cè)量剖面的兩種條件下,同向旋轉(zhuǎn)射流工況的氣體軸向與切向速度模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比。由圖3a可以看出,采用兩種不同的進(jìn)口速度分布條件計(jì)算出的氣體軸向速度有一定的差異,這種差異在中心區(qū)域顯得尤為明顯,在外部區(qū)域則相對(duì)要小一些。在中心區(qū)域,采用進(jìn)口速度的均勻分布條件預(yù)報(bào)出的氣體軸向速度與實(shí)驗(yàn)差別較大,甚至出現(xiàn)了不合理的軸向回流。而無(wú)論是在中心區(qū)域還是在外部區(qū)域,利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量剖面作為速度的進(jìn)口條件預(yù)報(bào)出的氣體軸向速度分布則均與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相符合。由圖3b給出的氣體切向速度模擬結(jié)果可以看到,在外部區(qū)域,采用進(jìn)口速度的均勻分布條件預(yù)報(bào)出的氣體切向速度在燃燒室下游處依然保持著近似均勻的分布,這顯然與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值有較大的出入。在中心區(qū)域,采用進(jìn)口速度的均勻分布條件計(jì)算出的氣體切向速度分布與實(shí)驗(yàn)值相比也有一定差異,未能預(yù)報(bào)出切向速度剖面的兩個(gè)峰值。而進(jìn)口速度取為實(shí)驗(yàn)測(cè)量剖面預(yù)報(bào)出的氣體切向速度分布則與實(shí)驗(yàn)符合較好。圖4a、4b給出在采用兩種不同的進(jìn)口軸向與切向速度分布條件下,反向旋轉(zhuǎn)射流工況的氣體軸向與切向速度分布計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。由圖4a可以看出,在中心區(qū)域,按進(jìn)口速度的均勻分布假定,預(yù)報(bào)出的氣體軸向速度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相差較大,而進(jìn)口條件按實(shí)驗(yàn)測(cè)量剖面給定,預(yù)報(bào)出的氣體軸向速度分布則與實(shí)驗(yàn)相符合。在外部區(qū)域,按進(jìn)口處速度分布的兩種給定方式計(jì)算出的氣體軸向速度分布相差不大,均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。從圖4b給出的兩種進(jìn)口速度分布條件下氣體切向速度分布的模擬結(jié)果來看,無(wú)論是在中心區(qū)域還是在外部區(qū)域,進(jìn)口速度采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量剖面給定比采用均勻分布預(yù)報(bào)出的氣體切向速度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值更接近。比較圖3與圖4可以看到,反向旋轉(zhuǎn)射流工況與同向旋轉(zhuǎn)射流工況相比,采用兩種不同的進(jìn)口速度分布條件計(jì)算出的氣體切向速度分布的差異相對(duì)較小,在下游截面處二者已比較接近。由于反向旋轉(zhuǎn)比同向旋轉(zhuǎn)條件下兩股射流在燃燒室內(nèi)的相互作用更強(qiáng),因此前者的流場(chǎng)模擬結(jié)果受射流間相互作用的影響相對(duì)較大,而對(duì)進(jìn)口速度分布選取的依賴性則有所降低。4不同測(cè)量剖面的檢驗(yàn)結(jié)果1)本文應(yīng)用一種新的代數(shù)Reynolds應(yīng)力模型模擬了同軸射流旋流燃燒室內(nèi)的湍流旋流流動(dòng)。計(jì)算中對(duì)進(jìn)口軸向與切向速度采用了假定為均勻分布和按實(shí)驗(yàn)測(cè)量剖面選取兩種不同的給定方法。模擬結(jié)果表明,進(jìn)口速度取實(shí)驗(yàn)測(cè)量剖面預(yù)報(bào)出的氣體軸向與切向速度分布與實(shí)驗(yàn)相符合,而進(jìn)口