近壁条件下撞击射流扩散火焰燃烧特性的解耦研究

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撞击射流扩散火焰因其于壁面的高传热传质效率而被广泛应用于内燃机及工业燃烧装置中。因撞击壁面的存在,燃烧反应被限制于受限/半受限空间内,其内部流动状态因此更加复杂,并作用于其内部火焰的燃烧和排放特性,这对燃烧装置的燃烧效率及清洁燃烧存在显著影响。为响应“十四五”规划对传统能源装置的排放需求,提高燃烧设备的燃烧效率及使用寿命,掌握撞击射流扩散火焰的传播规律,燃烧及排放特性具有十分重要的现实意义。本文通过实验测量,数值模拟与理论分析相结合的方法,对近壁条件下的撞击射流扩散火焰进行了解耦分析,从撞击壁效应、对流扩散机制和动量驱动效应三个方面对撞击射流扩散火焰燃烧特性的影响进行了探究。通过粒子图像测速实验结合耦合详细化学反应机理的大涡模拟分析了不同撞击壁高度下的撞击壁效应对撞击射流扩散火焰燃烧特性的影响。通过大涡模拟分析了撞击射流扩散火焰中的对流扩散机制,并对承担其主要驱动力重力/浮力作用效果进行了探究。对不同初始动量状况下的撞击射流扩散火焰传播、换热和排放特性进行了数值分析,探究了动量驱动效应对撞击射流扩散火焰燃烧特点的影响规律。研究发现,撞击壁效应对撞击射流扩散火焰的燃烧特性影响主要体现在两个方面:通过影响壁面撞击强度而改变火焰-壁面的交互作用效果和通过限制涡旋结构发展影响近壁区域流场分布。撞击射流扩散火焰的对流扩散机制主要包括自然对流及初始动量驱动的强制对流扩散机制,重力/浮力通过对自然对流机制的产生和强化而对流场内组分扩散机制发挥作用,但不会影响初始动量驱动机制的主导地位。动量驱动效应的增强影响了入口回流区内的涡旋结构分布,使该区域内的涡旋分布由双涡旋模式转变为单涡旋模式,而且,动量驱动效应的增强可以强化火焰与壁面之间的传热效果,而较低的初始动量会减少燃烧不充分现象的发生,更有利于清洁燃烧。
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