湍流燃燒彈內(nèi)部湍流穩(wěn)定區(qū)域分析?

（江蘇科技大學(xué) 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，面對(duì)全球范圍內(nèi)化石燃料的消耗，人們對(duì)這種發(fā)展模式的可持續(xù)性提出了質(zhì)疑。開發(fā)和利用新的替代燃料更符合人類的實(shí)際情況，以及對(duì)于可再生能源的燃燒研究就必不可少。實(shí)際的燃燒往往發(fā)生在動(dòng)蕩的環(huán)境中，因此，研究燃料的燃燒特性，特別是考慮到湍流的影響，對(duì)于未來(lái)作為替代燃料得到更廣泛的利用是很有必要和有意義的［1～2］。

實(shí)現(xiàn)湍流燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置，在國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究所中大致分為噴射式湍流試驗(yàn)裝置，風(fēng)扇式湍流燃燒裝置，孔板式湍流燃燒裝置［3～10］。本文模擬風(fēng)扇式湍流燃燒裝置，其湍流環(huán)境通過(guò)風(fēng)扇持續(xù)旋轉(zhuǎn)以及風(fēng)扇布局控制。基于風(fēng)扇式湍流產(chǎn)生原理，英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司Harris等［11］設(shè)計(jì)了單風(fēng)扇式湍流燃燒定容彈，定容燃燒彈近似為球形，風(fēng)扇布置在定容彈中心正上方，定容燃燒彈內(nèi)的湍流強(qiáng)度由風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制。研究結(jié)果表明：定容燃燒彈內(nèi)燃燒壓力隨著湍流強(qiáng)度的增加而增加，并且平均及最大燃燒壓力升高率與湍流強(qiáng)度呈線性關(guān)系。日本九州大學(xué)Toshiaki等［12］設(shè)計(jì)了雙風(fēng)扇式湍流燃燒定容彈，定容彈的結(jié)構(gòu)由三個(gè)直徑為265mm的圓柱體組成，定容燃燒彈上下布置兩個(gè)風(fēng)扇，在此定容彈中研究了壓力和熱擴(kuò)散對(duì)于氫氣-空氣預(yù)混湍流燃燒火焰的影響，研究表明：湍流強(qiáng)度與無(wú)拉伸層流燃燒速度的比值隨著當(dāng)量比的降低而增加，隨著壓力的升高而增加。華中科技大學(xué)Shijie Xu等［13］設(shè)計(jì)了類似的雙風(fēng)扇式湍流燃燒定容彈，風(fēng)扇分別安裝與上、下兩個(gè)端面，風(fēng)扇不間斷轉(zhuǎn)動(dòng)在定容燃燒彈中心形成湍流環(huán)境。研究表明：定容燃燒彈中心區(qū)域的湍流環(huán)境接近各向同性湍流且湍流強(qiáng)度與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速之間是線性關(guān)系。以上研究都是對(duì)燃燒特性隨著湍流強(qiáng)度的變化。并未對(duì)風(fēng)扇產(chǎn)生湍流環(huán)境進(jìn)行細(xì)致研究，所以在進(jìn)行湍流燃燒特性進(jìn)行研究時(shí)會(huì)出現(xiàn)不理想的試驗(yàn)工況。所以本研究對(duì)湍流燃燒彈內(nèi)部湍流穩(wěn)定區(qū)域變化進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)裝置以及計(jì)算工況

本文主要以如圖1所示湍流燃燒試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析燃燒彈內(nèi)部湍流場(chǎng)的變化。該試驗(yàn)臺(tái)由不銹鋼密閉燃燒容器、湍流產(chǎn)生系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。湍流容器設(shè)計(jì)成球形空腔，容器內(nèi)徑為380mm，凈容積為28.73L［14］。

圖1 預(yù)混湍流燃燒試驗(yàn)臺(tái)燃燒容器

湍流產(chǎn)生系統(tǒng)由四個(gè)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)機(jī)組組成，每個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)組由一個(gè)軸流式風(fēng)機(jī)、一個(gè)磁力聯(lián)軸器、一個(gè)電動(dòng)機(jī)和一個(gè)變頻器組成。在每臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)組中，風(fēng)機(jī)通過(guò)磁力聯(lián)軸器與電機(jī)連接，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由容器外的變頻器控制。四個(gè)風(fēng)扇電機(jī)組以金字塔形垂直安裝在船上，金字塔形的幾何中心與船的中心重合。四組風(fēng)扇電機(jī)由變頻器給定速度，軸流式風(fēng)扇將以相同的速度旋轉(zhuǎn)前進(jìn)形成漩渦流，漩渦流進(jìn)一步通過(guò)多孔板，然后來(lái)自四個(gè)方向的射流將在四個(gè)風(fēng)扇電機(jī)組的幾何中心碰撞，形成各向同性的湍流。湍流強(qiáng)度可由風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。研究中，風(fēng)扇的總直徑為90mm［15～17］。

本文根據(jù)該試驗(yàn)平臺(tái)建立燃燒室物理模型，四個(gè)風(fēng)扇入口位于該球體內(nèi)接正四面體頂點(diǎn)處，如圖2。

圖2 燃燒室物理模型

風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度所對(duì)應(yīng)燃燒室中心湍流強(qiáng)度以及風(fēng)扇入口壓強(qiáng)列于表1。這里的湍流強(qiáng)度用流量的脈動(dòng)速度均方根值表示。在Fluent中采用in?take-fan來(lái)模擬軸流風(fēng)扇。根據(jù)燃燒中心位置的湍流強(qiáng)度來(lái)確定風(fēng)扇入口的壓力值。

表1 在本研究中，湍流強(qiáng)度、風(fēng)扇入口壓力與驅(qū)動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)的值

3 數(shù)學(xué)方法以及模型

模擬完全遵循三大守恒定律：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒方程，控制方程如下。

其中：ρv為氣體密度；ui、uj為速度分量；p為壓力；T為溫度；μ為黏度；δij為Kronecker delta數(shù)；E為氣體總能；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)；τeff為有效應(yīng)力張量。

本文湍流燃燒彈內(nèi)部湍流分析中選用壓力基求解器，湍流模型采用RNG K-e模型。在計(jì)算前還需要對(duì)求解過(guò)程進(jìn)行控制。主要進(jìn)行初始條件以及邊界條件進(jìn)行設(shè)置，并且對(duì)燃燒室中心點(diǎn)進(jìn)行速度監(jiān)測(cè)。初始條件以及邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 初始條件以及邊界條件設(shè)置

試驗(yàn)系統(tǒng)所營(yíng)造的湍流流動(dòng)高度非定常，湍流流動(dòng)的強(qiáng)弱用無(wú)量綱湍流（I）加以衡量，其定義為湍流流動(dòng)脈動(dòng)速度均方根值（urms）與湍流流動(dòng)平均值（u）的比值。針對(duì)定容燃燒彈內(nèi)的湍流流動(dòng)而言，容彈內(nèi)部沒(méi)有真實(shí)的、穩(wěn)定的主流流動(dòng)，因此不宜采用上述湍流強(qiáng)度對(duì)容彈內(nèi)部的湍流流動(dòng)的強(qiáng)度予以表征。在類似的研究中，往往多采用urms作為湍流強(qiáng)度的量化標(biāo)準(zhǔn)。

特定方向（x）上脈動(dòng)速度的均方根可以表示為

而對(duì)于空間速度均方根則表示為

對(duì)于無(wú)量綱湍流強(qiáng)度而言，可以表示為

4 結(jié)果分析

4.1 燃燒彈湍流強(qiáng)度分析

本文模擬監(jiān)測(cè)了定容燃燒彈幾何中心點(diǎn)在不同初始?jí)毫ο虏煌L(fēng)扇強(qiáng)度的湍流強(qiáng)度。圖3為在不同初始?jí)簭?qiáng)下不同風(fēng)扇強(qiáng)度湍流燃燒彈幾何中心點(diǎn)湍流強(qiáng)度的變化曲線。在初始?jí)簭?qiáng)為10bar下，隨著風(fēng)扇強(qiáng)度從5MPa的增加到8MPa中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度也由0.5m/s增加到1.77m/s，并且在7MPa到8MPa時(shí)，湍流強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)。這個(gè)現(xiàn)象也發(fā)生在其他初始環(huán)境壓強(qiáng)下。初始條件為40bar時(shí)，湍流強(qiáng)度隨著風(fēng)扇強(qiáng)度的增強(qiáng)由0.12m/s增加至0.49m/s。模擬結(jié)果在相同初始環(huán)境壓強(qiáng)下，湍流強(qiáng)度隨著風(fēng)扇壓強(qiáng)增強(qiáng)而增強(qiáng)。并且初始環(huán)境壓強(qiáng)越低湍流強(qiáng)度變化靈敏度更大。而且在相同的風(fēng)扇強(qiáng)度下，初始環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)湍流強(qiáng)度起抑制作用。風(fēng)扇強(qiáng)度為5MPa時(shí)，初始環(huán)境壓強(qiáng)為10bar，監(jiān)測(cè)點(diǎn)湍流強(qiáng)度最大為0.5m/s。隨著初始環(huán)境壓強(qiáng)的增強(qiáng)，在40bar時(shí)，湍流強(qiáng)度減小至0.12m/s。在風(fēng)扇強(qiáng)度為8MPa時(shí)，隨著初始環(huán)境壓強(qiáng)的增強(qiáng)，湍流強(qiáng)度由1.77m/s減小至0.49m/s。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)湍流強(qiáng)度可以分析出隨著初始?jí)簭?qiáng)變大其湍流強(qiáng)度變化幅值變小。所以在試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)控定容燃燒彈內(nèi)部湍流強(qiáng)度的大小。

圖3 在四種不同壓強(qiáng)下湍流燃燒彈中心點(diǎn)的湍流強(qiáng)度

如圖4所示，燃燒彈的四個(gè)風(fēng)扇強(qiáng)度基本一致，定容彈內(nèi)部的湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能場(chǎng)呈現(xiàn)出均勻?qū)ΨQ的分層式分布特點(diǎn)，湍流強(qiáng)度及湍動(dòng)能從中心位置到外圍逐層減小，在不同方向上，距離中心點(diǎn)相同的位置處的湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能基本相同。

4.2 風(fēng)扇強(qiáng)度對(duì)湍流燃燒彈湍流穩(wěn)定區(qū)的影響分析

在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，由于定容燃燒彈內(nèi)徑為380mm，可用于火焰?zhèn)鞑ヌ匦詤?shù)研究直徑約占定容燃燒彈內(nèi)徑的三分之一，即在此空間內(nèi)是觀察火焰?zhèn)鞑ヌ匦宰罴褏^(qū)域，稱之為湍流穩(wěn)定區(qū)域。如圖4所示，是在湍流燃燒彈初始?jí)毫?0bar，過(guò)幾何中心點(diǎn)三個(gè)相互垂直截面的湍流強(qiáng)度分布。在后處理中以湍流強(qiáng)度差值為0.1m/s為一個(gè)梯度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而找到湍流穩(wěn)定區(qū)域。模擬得出隨著風(fēng)扇強(qiáng)度的增加其湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑在變大，找到合適的湍流穩(wěn)定區(qū)域有利于觀察火焰的傳播。通過(guò)圖片處理，得出三個(gè)截面最大湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑以及最小湍流穩(wěn)定半徑，并且以三個(gè)截面中最小湍流穩(wěn)定半徑定為最佳湍流區(qū)域穩(wěn)定半徑。

圖4 初始條件為10bar下，不同風(fēng)扇強(qiáng)度三個(gè)不同方向截面的湍流強(qiáng)度（a、b、c、d代表著風(fēng)扇強(qiáng)度為5、6、7、8MPa）

圖5為不同初始?jí)簭?qiáng)下湍流穩(wěn)定區(qū)域徑率即湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑占湍流燃燒彈內(nèi)半徑的比率。在初始溫度為 298K，研究了 10bar、20bar、30bar、40bar四種不同初始環(huán)境壓強(qiáng)下風(fēng)扇強(qiáng)度對(duì)湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑的影響。通過(guò)對(duì)比四種初始?jí)毫ο峦牧鞣€(wěn)定區(qū)域半徑曲線。發(fā)現(xiàn)在不同風(fēng)扇強(qiáng)度下，風(fēng)扇強(qiáng)度越大則湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑就越大。而且隨著風(fēng)扇強(qiáng)度的增大，湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑的變化差值在變小。并且三個(gè)截面的最小湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑變化幾乎一致。通過(guò)比較最大湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑與最小湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑的差值，上截面的湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑差值最小，所以在此截面上湍流穩(wěn)定區(qū)形狀更趨近圓形。在風(fēng)扇強(qiáng)度壓差為5MPa時(shí)，四種初始環(huán)境下核心湍流穩(wěn)定區(qū)域徑率明顯小于燃燒彈內(nèi)徑的三分之一，所以在這種工況下是不利于觀察湍流燃燒擴(kuò)散特性。所以在選擇湍流燃燒工況應(yīng)該避免此種條件，在選擇風(fēng)扇強(qiáng)度時(shí)應(yīng)該大于5MPa。

圖5 不同初始?jí)簭?qiáng)下湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑徑率曲線

4.3 初始?xì)鈮簩?duì)湍流燃燒彈湍流穩(wěn)定區(qū)的影響分析

如圖6所示，在保持風(fēng)扇壓差相同的情況下，初始環(huán)境壓強(qiáng)從10bar增加到40bar時(shí)，核心半徑徑率差值最大僅僅為0.02。所以初始?jí)簭?qiáng)主要對(duì)湍流強(qiáng)度有影響，對(duì)湍流穩(wěn)定半徑影響較小。湍流強(qiáng)度變化由外側(cè)向中心點(diǎn)逐漸增強(qiáng)，且增強(qiáng)的速率遞減。此種規(guī)律與上節(jié)情況相同，不過(guò)相比較于風(fēng)扇強(qiáng)度的影響，初始環(huán)境壓強(qiáng)的影響要小于前者。如圖7所示，分別為不同風(fēng)扇強(qiáng)度在不同初始環(huán)境壓強(qiáng)下的湍流穩(wěn)定區(qū)域徑率的變化規(guī)律。可知在四種不同風(fēng)扇強(qiáng)度下隨著初始環(huán)境壓強(qiáng)變大，其達(dá)到湍流穩(wěn)定區(qū)域的半徑也在變大。在風(fēng)扇強(qiáng)度為5MPa的情況下，不論在何種初始環(huán)境壓強(qiáng)下，其湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑大小都低于燃燒彈內(nèi)徑的三分之一。因此在此工況下，不利于進(jìn)行湍流燃燒特性的研究。三個(gè)不同截面中，上截面穩(wěn)定區(qū)域半徑最大值和最小值變化同樣也是最平緩的，而且兩者的差值也最小。在以后研究中主要取上截面穩(wěn)定半徑為核心湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑。這是由于風(fēng)扇位置可能存在誤差，在上截面受到風(fēng)力最為均勻。在四種風(fēng)扇強(qiáng)度下，初始環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)前截面以及左截面上最大湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑產(chǎn)生很大影響，隨著初始環(huán)境壓強(qiáng)的增大其湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑增長(zhǎng)較快。而對(duì)于最小湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑上，其值變化依然很小。說(shuō)明此種湍流燃燒彈符合試驗(yàn)設(shè)定。

圖6 風(fēng)扇強(qiáng)度為6MPa下，不同初始?jí)簭?qiáng)下三個(gè)不同截面的湍流強(qiáng)度分布（a、b、c、d代表初始?jí)簭?qiáng)分別為10、20、30、40bar）

圖7 不同風(fēng)扇強(qiáng)度下湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑徑率曲線

湍流穩(wěn)定區(qū)域越大，這對(duì)于研究湍流燃燒擴(kuò)散更加方便。所結(jié)合上文分析出在初始環(huán)境壓強(qiáng)40bar和風(fēng)扇強(qiáng)度為8MPa時(shí)，核心湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑最大，約占燃燒彈內(nèi)徑的0.54。在保持風(fēng)扇強(qiáng)度為8MPa以及初始環(huán)境壓強(qiáng)為10bar時(shí)，核心湍流穩(wěn)定區(qū)域達(dá)到最大湍流強(qiáng)度。在這種工況下可以更清楚地看出火焰前鋒面的波折程度，而且在保證有足夠湍流穩(wěn)定區(qū)域同時(shí)，該工況火焰?zhèn)鞑ニ俣纫沧羁臁?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

新型湍流燃燒彈可以有效地通過(guò)控制風(fēng)扇強(qiáng)度以及初始環(huán)境壓強(qiáng)來(lái)控制湍流穩(wěn)定區(qū)域的湍流強(qiáng)度和范圍，為我們研究湍流與燃燒過(guò)程的相互作用提供很大的幫助。本研究基于Fluent軟件對(duì)湍流燃燒彈內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

燃燒彈的四個(gè)風(fēng)扇入口氣體壓強(qiáng)基本一致，定容彈內(nèi)部的湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能場(chǎng)呈現(xiàn)出均勻?qū)ΨQ的分層式分布特點(diǎn)，湍流強(qiáng)度及湍動(dòng)能從中心位置到外圍逐層減小，在不同方向上，距離中心點(diǎn)相同的位置處的湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能基本相同；湍流燃燒彈中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度隨著風(fēng)扇壓差的增大而增大，而且初始環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)湍流強(qiáng)度起著抑制的作用；湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑的大小隨著風(fēng)扇強(qiáng)度增強(qiáng)而增大，并且隨著初始?jí)簭?qiáng)增大而增大，但是初始?jí)簭?qiáng)對(duì)湍流穩(wěn)定區(qū)域半徑的影響沒(méi)有風(fēng)扇強(qiáng)度明顯。所以燃燒彈可以通過(guò)控制風(fēng)扇強(qiáng)度以及初始環(huán)境壓強(qiáng)來(lái)改變?nèi)紵龔梼?nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)而分析湍流燃燒火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴?/p>