程夢真，王海鷗，羅?坤，樊建人

橫射流預(yù)混燃燒的直接數(shù)值模擬研究

程夢真，王海鷗，羅?坤，樊建人

(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

橫射流；預(yù)混燃燒；數(shù)值模擬；熱釋率替代物

橫射流(jet in cross-flow)是指射流以一定的角度注入橫向來流的流動形式．最常見的橫射流是射流垂直注入來流．由于射流與來流的相互作用，橫射流具有復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)．過去的研究詳細(xì)討論了橫射流中發(fā)展段的反旋渦對、位于射流/來流邊界處的剪切渦、近壁面處包裹射流的馬蹄渦和由壁面邊界層發(fā)展出的直立尾流渦[1-3]．復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)使得橫射流與自由射流相比具有更強(qiáng)的混合能力，有利于提高燃燒室中的燃燒強(qiáng)度．除此之外，橫射流還可以促進(jìn)火焰穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)[4]、噴氣式發(fā)動機(jī)[5]、火箭發(fā)動機(jī)[6]等動力裝置中．

實(shí)際應(yīng)用的橫射流燃燒大多在非預(yù)混條件下進(jìn)行，即射流中只有燃料或氧化劑，相關(guān)的研究成果已非常豐富[7-9]．預(yù)混燃燒，尤其是貧燃預(yù)混燃燒，可以有效避免高溫，減少NO等污染物的生成．橫射流預(yù)混燃燒技術(shù)有良好的應(yīng)用前景，但現(xiàn)有的橫射流預(yù)混燃燒研究十分有限．實(shí)驗(yàn)研究方面，Wagner等[10-12]和Pinchak等[13]設(shè)置了乙烯/空氣預(yù)混射流射入高溫丙烷燃燒產(chǎn)物來流的系列實(shí)驗(yàn)，研究了不同射流當(dāng)量比、射流溫度和動量比對橫射流流場特性和火焰穩(wěn)定性的影響．他們發(fā)現(xiàn)橫射流火焰存在兩個分支，分別為由自著火控制的迎風(fēng)側(cè)抬升火焰和附著在射流出口附近的背風(fēng)側(cè)火焰．Schmitt等[14]和Kolb等[15]對預(yù)混的天然氣/空氣橫射流燃燒進(jìn)行了多工況下的實(shí)驗(yàn)測量和研究．在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用數(shù)值模擬的方法可以獲得更多無法測量的變量信息，有利于更加深入的分析．大渦模擬研究方面，Schulz等[16]在Wagner等[12]實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對預(yù)混橫射流的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，探討了迎風(fēng)側(cè)抬升火焰的形成機(jī)理．但是大渦模擬無法求解詳細(xì)的流動和火焰結(jié)構(gòu)，具有一定的局限性．直接數(shù)值模擬方法求解所有的流動和火焰尺度，能夠揭示詳細(xì)的橫射流預(yù)混火焰特性．本文將對Pinchak等[13]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直接數(shù)值模擬研究．

熱釋率是火焰的重要物理量，其空間分布可以幫助確定火焰面位置，局部熱釋率還可以表征燃燒速率，但是熱釋率無法在實(shí)驗(yàn)中直接測量得到．為了實(shí)現(xiàn)其間接測量，熱釋率替代物的研究十分重要．熱釋率替代物通常由組分濃度或組分濃度乘積來表示.組分濃度可以用PLIF等方法獲得．過去的文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了多組適用于烷烴燃燒的熱釋率替代物[17-19].比如Wang等[19]用直接數(shù)值模擬的方法對甲烷/空氣預(yù)混自由射流進(jìn)行研究，提出了新的熱釋率替代物.雖然烷烴燃料燃燒中熱釋率替代物的研究較多，烯烴燃料燃燒的熱釋率替代物還需要進(jìn)一步探索和驗(yàn)證.

在上述研究背景下，本文使用直接數(shù)值模擬的方法，對乙烯/空氣橫射流預(yù)混燃燒進(jìn)行研究，展示了橫射流速度場的特點(diǎn)以及燃燒對其速度場的影響，提出了不同的熱釋率替代物并進(jìn)行了驗(yàn)證．

1?算例設(shè)置與數(shù)值方法

圖1?橫射流預(yù)混燃燒算例示意

本文使用的直接數(shù)值模擬程序[21]由FORTRAN 90語言編寫，使用MPI(Message Passing Interface)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多核并行運(yùn)算．完整的可壓縮Navies-Stokes方程、能量方程、組分方程和連續(xù)方程在三維笛卡爾網(wǎng)格上進(jìn)行求解；采用六階段四階顯式Runge-Kutta方法進(jìn)行時間推進(jìn)，采用八階中心差分的方法進(jìn)行空間離散，使用十階過濾消除高頻數(shù)值振蕩．采用22組分的簡化乙烯機(jī)理[22]來描述乙烯燃燒，該機(jī)理已經(jīng)在自著火、層流火焰?zhèn)鞑サ扔?jì)算中得到驗(yàn)證．

2?結(jié)果與討論

2.1?速度場特點(diǎn)及燃燒對其影響

Wagner等[11]提供了射流當(dāng)量比為1.2、不同動量比實(shí)驗(yàn)條件下的橫射流軌跡(由中心流線定義)．值得注意的是本文的射流當(dāng)量比為0.6，在沒有化學(xué)反應(yīng)參與的情況下，當(dāng)量比并不是決定橫射流發(fā)展的主導(dǎo)因素，所以本文將仍然用動量比相同而當(dāng)量比不同的兩個無反應(yīng)工況進(jìn)行對比．計(jì)算得到的橫射流軌跡與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果如圖2所示．首先對比流動算例與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比在上游偏移較小，在下游彎折較大．但整體與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，證明了數(shù)值模擬的可信度．對比流動算例與燃燒算例的計(jì)算結(jié)果，可以看出有化學(xué)反應(yīng)的情況下射流更加深入來流．燃燒時氣體溫度升高，速度增加.射流的速度衰減變緩，呈現(xiàn)出更加深入來流的軌跡．

圖2?中心流線定義的橫射流軌跡

橫射流的速度場分布比較復(fù)雜．下面將對射流方向速度、來流方向速度以及與射流軌跡相關(guān)的速度進(jìn)行分析，并對比純流動和燃燒算例的結(jié)果以探究燃燒對橫射流速度場的影響．

圖3 流動算例和燃燒算例的平均速度在對稱平面內(nèi)的分布

圖4?對稱平面內(nèi)不同高度對應(yīng)的x方向平均速度分布

圖5?對稱平面內(nèi)平均速度和射流速度沿射流軌跡的分布

橫射流存在復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)，具有特點(diǎn)的渦結(jié)構(gòu)受到廣泛的關(guān)注．圖6展示了對稱平面內(nèi)和＝平面內(nèi)的渦量分布．由圖6(a)和(b)中可以看出，射流出口處由于剪切最強(qiáng)，所以渦量最大．另外，迎風(fēng)側(cè)的來流/射流剪切層和背風(fēng)側(cè)回流區(qū)都具有較大的渦量．與流動算例相比，燃燒使得橫射流下游的湍流更快地耗散，渦量較小．圖6(c)展示出了流動算例中的反旋渦對，可以看出渦對處具有較大的渦量且有復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，而圖6(d)則說明相同位置的湍流由于燃燒的作用有較大程度的耗散，反旋渦對已無法用渦量清晰展示．

圖6?對稱平面內(nèi)及x＝d處流動算例和燃燒算例的渦量分布

綜上所述，燃燒使得流速衰減更慢，湍流耗散更快，射流軌跡更深入來流．

2.2?熱釋率替代物分析

圖7?、和在對稱平面內(nèi)的瞬時分布

圖8?歸一化組分濃度乘積關(guān)于歸一化熱釋率的散點(diǎn)圖

表1 組分濃度乘積分布與熱釋率分布的相關(guān)系數(shù)

Tab.1 Correlation coefficients between heat release rate and its surrogates

3?結(jié)?論

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(責(zé)任編輯：武立有)

Direct Numerical Simulation of Premixed Reacting Jet in Cross-Flow

Cheng Mengzhen，Wang Haiou，Luo Kun，F(xiàn)an Jianren

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

jet in cross-flow；premixed combustion；numerical simulation；heat release rate surrogate

TK11

A

1006-8740(2022)01-0049-07

2021-04-20．

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52022091)；國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目(91841302).

程夢真（1997—??），女，博士研究生，chengmengzhen@zju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

王海鷗，男，博士，研究員，wanghaiou@zju.edu.cn.