陳?果，王海鷗，羅?坤，樊建人

湍流非預(yù)混射流火焰傾斜沖擊壁面的直接數(shù)值模擬研究

陳?果，王海鷗，羅?坤，樊建人

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

采用直接數(shù)值模擬方法，選取17組分、73步簡(jiǎn)化的甲烷化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，對(duì)三維湍流平面甲烷射流火焰傾斜沖擊壁面進(jìn)行了研究. 分析了相同湍流強(qiáng)度、不同Damk?hler數(shù)的兩個(gè)算例. 兩個(gè)算例出現(xiàn)了不同程度的熄火，算例B的熄火現(xiàn)象比算例A更明顯. 同時(shí)，觀察到當(dāng)量混合分?jǐn)?shù)等值面的凸起結(jié)構(gòu)與火焰熄火現(xiàn)象存在一定關(guān)聯(lián). 定量分析了火焰面平均曲率與熄火的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)在剪切流動(dòng)中熄火區(qū)域的平均曲率大于燃燒區(qū)域的平均曲率；在壁面附近的熄火區(qū)域曲率的大小與壁面熄火模式相關(guān)．

直接數(shù)值模擬；熄火；曲率

為了運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，大多工業(yè)燃燒裝置采用非預(yù)混燃燒技術(shù)．燃料/氧化劑的快速混合速率可以促進(jìn)燃燒，但過(guò)快的湍流混合會(huì)導(dǎo)致熄火[1-5]，增加燃燒室未燃碳?xì)浠衔锏任廴疚锱欧牛瑫r(shí)，在有限空間的燃燒室中，火焰與壁面的相互作用無(wú)法避免，出現(xiàn)壁面熄火，影響燃燒效率和污染物排放特性．因此，研究非預(yù)混湍流燃燒/壁面相互作用過(guò)程中的熄火現(xiàn)象具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值．

研究湍流非預(yù)混火焰中熄火問(wèn)題的手段主要有實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬．在實(shí)驗(yàn)方面，Takahashi等[6]采用Mie散射/細(xì)絲測(cè)溫法和雙色示蹤粒子測(cè)速儀(PIV)的方法，對(duì)湍流甲烷射流擴(kuò)散火焰進(jìn)行測(cè)量，研究了渦-火焰相互作用以及相互作用發(fā)生后的局部熄火，發(fā)現(xiàn)火焰面在渦結(jié)構(gòu)的作用下發(fā)生凸起，火焰在渦結(jié)構(gòu)的作用下發(fā)生了局部熄火．Lyons等[7]采用激光誘導(dǎo)CH基熒光(CH-PLIF)與顆粒成像測(cè)速技術(shù)測(cè)量了甲烷/空氣擴(kuò)散火焰，其用CH基的分布來(lái)辨識(shí)火焰的熄火現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)火焰面的凸起是火焰熄滅前會(huì)發(fā)生的事件之一．然而，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)的局限性，往往采用的是二維的測(cè)量手段，且測(cè)量的物理量有限，僅能測(cè)量如組分濃度、速度等物理量．而與熄火有關(guān)的物理量，如標(biāo)量耗散率、應(yīng)變率、曲率等在測(cè)量中難以直接獲?。?/p>

近來(lái)，與非預(yù)混燃燒熄火問(wèn)題有關(guān)的數(shù)值模擬研究受到廣泛關(guān)注，尤其是隨著高性能計(jì)算領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，許多學(xué)者開(kāi)始采用高精度的直接數(shù)值模擬(DNS)方法來(lái)研究這一問(wèn)題．在以往的非預(yù)混射流火焰的DNS研究中，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)量比混合分?jǐn)?shù)等值面上出現(xiàn)的熄火區(qū)域，處于火焰面由燃料向氧化劑凸起的結(jié)構(gòu)上[8-11]．Wang等[10]通過(guò)湍流火焰邊緣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，分析了非預(yù)混火焰的熄火和再燃；觀察到熄火區(qū)域一般是以氧化劑為曲率中心的負(fù)曲率，而燃燒區(qū)域是正曲率；還發(fā)現(xiàn)了負(fù)曲率的熄火區(qū)域處熱釋放率低，而在正曲率的燃燒區(qū)域熱釋放率高．Karami等[1]實(shí)現(xiàn)了空間發(fā)展的三維湍流射流抬升非預(yù)混火焰的DNS，用當(dāng)量混合位置處的產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的臨界值來(lái)判定是否熄火，并以此依據(jù)來(lái)追蹤識(shí)別熄火區(qū)域的面積變化規(guī)律．發(fā)現(xiàn)熄火區(qū)域的面積增長(zhǎng)由切向應(yīng)變率主導(dǎo)，而熄火區(qū)域的愈合過(guò)程受到曲率和標(biāo)量耗散率的共同作用．

在上述工作中，前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬等手段對(duì)非預(yù)混火焰面的凸起與熄火現(xiàn)象進(jìn)行了研究．但是，在工程實(shí)際問(wèn)題中，存在很多火焰-壁面相互作用的場(chǎng)景．這種場(chǎng)景下的關(guān)于非預(yù)混火焰面凸起與熄火的研究在國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道．為填補(bǔ)該研究的空白，筆者最近對(duì)甲烷燃料平面射流非預(yù)混火焰傾斜沖擊壁面進(jìn)行了直接數(shù)值模擬研究[12-13]，本文對(duì)其中的火焰面凸起和熄火現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，分析得出了在壁面存在的場(chǎng)景下非預(yù)混火焰曲率與熄火現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)．

1?數(shù)值方法和算例設(shè)置

1.1?數(shù)值模擬方法

直接數(shù)值模擬求解全可壓反應(yīng)流的Navies-Stokes方程組．控制方程采用4階顯式龍格-庫(kù)塔格式進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)，8階中心差分格式作為空間離散，并采用10階過(guò)濾以消除高頻的數(shù)值震蕩偏差．化學(xué)組分的熱物性參數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)在該程序中采用多項(xiàng)式插值的方式來(lái)擬合．

選取17組分、73步的甲烷/空氣燃燒的簡(jiǎn)化機(jī)理，另外4種組分(CH2、CH2(S)、HCO和CH2OH)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)機(jī)理組分．該機(jī)理由GRI-1.2骨架機(jī)理簡(jiǎn)化而來(lái)．使用CHEMKIN程序[14]中的穩(wěn)態(tài)對(duì)沖火焰對(duì)該機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該機(jī)理與詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)甲烷機(jī)理、GRI-3.0骨架機(jī)理等所得出的甲烷燃燒結(jié)果十分接近，因此采用該機(jī)理來(lái)進(jìn)行直接數(shù)值模擬計(jì)算是可行的．

1.2?算例設(shè)置

圖1?計(jì)算工況示意

表1?來(lái)流的組分濃度

Tab.1?Concentration of species in incoming flow

2?結(jié)果與討論

2.1?火焰面凸起與熄火現(xiàn)象

從圖2可以看出湍流使得火焰面褶皺，其中用OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小著色，熄火區(qū)域?yàn)楹谏?，射流中心為渲染的渦量．在算例A的上分支火焰，湍流作用于火焰面產(chǎn)生凸起．凸起位置處OH的值較?。S著湍流的發(fā)展，在下游的位置，凸起的位置處發(fā)生了熄火．類似的現(xiàn)象在算例B中也存在．在乙烯/氧氣非預(yù)混火焰的直接數(shù)值模擬研究中，Lignell等[2]也觀察到在當(dāng)量混合分?jǐn)?shù)等值面上熄火現(xiàn)象與火焰面凸起有關(guān)．

圖2 算例A和算例B的當(dāng)量混合分?jǐn)?shù)等值面

2.2?火焰面曲率

2.3?火焰面曲率在熄火與燃燒區(qū)域的統(tǒng)計(jì)

圖3 歸一化的曲率在x-y平面上的云圖

圖4 算例A和算例B中燃燒/熄滅的火焰面上的歸一化曲率沿流向的分布

圖5 近壁面當(dāng)量混合分?jǐn)?shù)等值面與火焰面熄火示意

圖6(c)是算例B的上分支火焰在中游(/位于20～30)和下游(/位于30～40)燃燒/熄火區(qū)域的平均曲率的PDF．可以看出，熄火區(qū)域曲率的值大于燃燒區(qū)域，且下游的曲率略大于中游，這與圖6(a)的算例A上分支火焰中的規(guī)律完全一致．對(duì)于下分支火焰，由于算例B在入口傾斜段就已完全熄滅，因此圖6(d)只有入口傾斜段的燃燒/熄滅區(qū)域而沒(méi)有近壁面區(qū)域的PDF統(tǒng)計(jì)，從中可以看出熄火區(qū)域的曲率大于燃燒區(qū)域，這與圖6(b)中算例A下分支火焰傾斜段的曲率分布規(guī)律一致．

圖6?不同流向位置、燃燒/熄火區(qū)域的曲率的PDF

3?結(jié)?論

本文對(duì)湍流平面射流火焰傾斜沖擊壁面進(jìn)行了直接數(shù)值模擬研究．設(shè)置了兩組Damk?hler數(shù)不同而射流Reynolds數(shù)相同的算例，在兩組算例中，火焰的熄火程度不同，算例B的熄火比算例A嚴(yán)重．在兩個(gè)算例中都觀察到，熄火區(qū)域與火焰凸起存在關(guān)聯(lián)性，通過(guò)定量地分析火焰面的曲率，發(fā)現(xiàn)除了壁面熄火的區(qū)域以外，在其他位置的火焰面，熄火區(qū)域的曲率大于燃燒區(qū)域，而壁面熄火區(qū)域出現(xiàn)了負(fù)的曲率．此外，還發(fā)現(xiàn)隨著射流火焰的發(fā)展，湍流在下游衰減，湍流尺度增大，火焰面曲率減?。?/p>

［1］ Karami S，Talei M，Hawkes E R，et al. Local extinction and reignition mechanism in a turbulent lifted flame：A direct numerical simulation study[J].，2017，36(2)：1685-1692.

［2］ Lignell D O，Chen J H，Schmutz H A. Effects of Damk?hler number on flame extinction and reignition in turbulent non-premixed flames using DNS[J].，2011，158(5)：949-963.

［3］ Karami S，Hawkes E R，Talei M，et al. Mechanisms of flame stabilisation at low lifted height in a turbulent lifted slot-jet flame[J].，2015，777：633-689.

［4］ Pantano C. Direct simulation of non-premixed flame extinction in a methane-air jet with reduced chemistry [J].，2004，514：231-270.

［5］ Hawkes E R，Sankaran R，Sutherland J C，et al. Scalar mixing in direct numerical simulations of temporally evolving plane jet flames with skeletal CO/H2kinetics[J].，2007，31(1)：1633-1640.

［6］ Takahashi F，Schmoll W J，Trump D D，et al. Vortex-flame interactions and extinction in turbulent jet diffusion flames[J].()，1996，26(1)：145-152.

［7］ Lyons K M，Watson K A，Carter C D，et al. On flame holes and local extinction in lifted-jet diffusion flames[J].，2005，142(3)：308-313.

［8］ Hawkes E R，Sankaran R，Chen J H. Reignition dynamics in massively parallel direct numerical simulations of CO/H2jet flames[C]//16. Australia，2007：1271-1274.

［9］ Hawkes E，Sankaran R，Chen J. A study of extinction and reignition dynamics in syngas jet flames using terascale direct numerical simulations：Sensitivity to the choice of reacting scalar[C]//. Australia，2007：46-49.

［10］ Wang L，Hawkes E R，Chen J H. Flame edge statistics in turbulent combustion[J].，2011，33(1)：1439-1446.

［11］ Karami S，Talei M，Hawkes E R，et al. Local extinction and reignition mechanism in a turbulent lifted flame：A direct numerical simulation study[J].，2017，36(2)：1685-1692.

［12］ Wang H，Chen G，Luo K，et al. Turbulence/flame/ wall interactions in non-premixed inclined slot-jet flames impinging at a wall using direct numerical simulation[J].，2021，38(2)：2711-2720.

［13］ Chen G，Wang H，Luo K，et al. Flame edge structures and dynamics in planar turbulent non-premixed inclined slot-jet flames impinging at a wall[J].，2021，920：A43.

［14］ Kee R J，Rupley F M，Miller J A. CHEMKIN-III：A FORTRAN Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas-Phase Chemical and Plasma Kinetics[R]. USA：Sandia National Laboratory，1996.

［15］ Bilger R W. The structure of diffusion flames[J].，1976，13(1-6)：155-170.

［16］ Passot T，Pouquet A. Numerical simulation of compressible homogeneous flows in the turbulent regime[J].，1987，181：441-466.

［17］ Pitsch H，Bollig M. FlameMaster v3.3.10，a C++ Computer Program for 0d Combustion and 1d Laminar Flame Calculations[Z]. 2015.

Study of Turbulent Non-Premixed Slot-Jet Flame Obliquely Impinging at Flat Wall Using Direct Numerical Simulation

Chen Guo，Wang Haiou，Luo Kun，F(xiàn)an Jianren

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

In this paper, the three-dimensional turbulent planar methane slot-jet flame obliquely impinging at a wall was simulated using direct numerical simulation (DNS), in which a 17-species 73-step reduced mechanism for methane chemical reaction was selected. Two cases (A and B) with the same turbulence intensity but different Damk?hler numbers were analyzed. It was observed that the extinction of different degrees occurred in both cases, and the extinction event in Case B was more significant than that in Case A. Meanwhile, the flame extinction event was correlated to the bulge structure on the stoichiometric mixture fraction iso-surface. The correlation between the mean curvature of the flame surface and the extinction event was quantitatively analyzed, and it was found that in the shear layers, the value of mean curvature in the extinction regions was larger than that in the burning regions. In addition, this value in the near-wall extinction region was correlated to the extinction mode.

direct numerical simulation；extinction；curvature

TK16

A

1006-8740(2022)02-0157-06

10.11715/rskxjs.R202202019

2021-04-15．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51836007).

陳?果（1996—??），男，博士研究生，guo_chen@zju.edu.cn.

王海鷗，男，博士，研究員，wanghaiou@zju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：武立有)