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以钝体为原型的燃烧器被广泛应用于燃气轮机、锅炉等许多工业设备的燃烧室中。随着对稳定安全和清洁高效燃烧的重视,燃烧室的设计和优化需要全面、深入地认识钝体射流火焰的瞬态点火过程和稳定燃烧特性。 本文采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟对湍流非预混钝体射流火焰进行了数值模拟。以悉尼钝体燃烧器的无反应射流NRBB和有反应甲烷/氢气火焰HMle为研究对象,通过数值结果与实验测量及相关文献的对比,检验了本文所采用的数值方法和燃烧模型。在此基础上,本文主要研究了两方面内容:一方面是研究钝体射流火焰的点火和火焰发展的动态过程,另一方面是空燃速率比和伴流稀释对钝体火焰的稳定燃烧特性的影响。 本文的主要成果包括以下几点: 1.本文将钝体射流火焰点火过程表征为四个主要阶段:火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功,并发现在点火核生成阶段,点火核有明显的驻留行为,其驻留位置主要由冷态流场的回流区结构决定。 2.本文发现在回流区内大尺度流动结构类似的条件下,尽管中心射流的雷诺数不同,但是钝体射流火焰仍表现出了相似的火焰结构。从这些结果可以推断,回流区内大尺度流动结构的改变是钝体射流火焰出现不同形态的主要原因。 3.本文发现稀释空气伴流削弱了回流区的稳定作用,使钝体射流火焰发生抬升,但是避免了局部高温,并大幅减少CO和NO的生成。 本文的创新点是: 1.基于火焰面/过程变量燃烧模型,本文数值实现了钝体射流的强制点火。通过点火过程的瞬态特性,以及温度T、羟基OH和甲醛CH2O的峰值随时间的变化判定了点火过程的四个主要阶段。 2.基于Sydney钝体燃烧器,本文数值研究了高雷诺数(Re=15000)的钝体射流火焰在不同空燃速率比下的流动、混合和燃烧特性,钝体火焰呈现不同模态,火焰类型与实验中低雷诺数的钝体火焰类似。 3.基于火焰面模型的S型曲线,本文分析了氧化剂的稀释对甲烷/氢气燃料的燃烧特性的影响,并数值研究了N2稀释的空气伴流对钝体射流火焰 HMle大尺度流动、火焰结构以及污染物生成的影响。 本文对钝体射流火焰进行了较为系统的研究,详细分析了钝体射流火焰及其点火过程,并对比分析了不同空燃速率比和伴流稀释条件下钝体射流火焰的稳定和燃烧特性。