湍流燃烧弹内部湍流稳定区域分析∗

（江苏科技大学 镇江 212003）

1 引言

随着人类社会的发展，面对全球范围内化石燃料的消耗，人们对这种发展模式的可持续性提出了质疑。开发和利用新的替代燃料更符合人类的实际情况，以及对于可再生能源的燃烧研究就必不可少。实际的燃烧往往发生在动荡的环境中，因此，研究燃料的燃烧特性，特别是考虑到湍流的影响，对于未来作为替代燃料得到更广泛的利用是很有必要和有意义的［1～2］。

实现湍流燃烧的实验装置，在国内外实验研究所中大致分为喷射式湍流试验装置，风扇式湍流燃烧装置，孔板式湍流燃烧装置［3～10］。本文模拟风扇式湍流燃烧装置，其湍流环境通过风扇持续旋转以及风扇布局控制。基于风扇式湍流产生原理，英国帝国化学工业公司Harris等［11］设计了单风扇式湍流燃烧定容弹，定容燃烧弹近似为球形，风扇布置在定容弹中心正上方，定容燃烧弹内的湍流强度由风扇转速控制。研究结果表明：定容燃烧弹内燃烧压力随着湍流强度的增加而增加，并且平均及最大燃烧压力升高率与湍流强度呈线性关系。日本九州大学Toshiaki等［12］设计了双风扇式湍流燃烧定容弹，定容弹的结构由三个直径为265mm的圆柱体组成，定容燃烧弹上下布置两个风扇，在此定容弹中研究了压力和热扩散对于氢气-空气预混湍流燃烧火焰的影响，研究表明：湍流强度与无拉伸层流燃烧速度的比值随着当量比的降低而增加，随着压力的升高而增加。华中科技大学Shijie Xu等［13］设计了类似的双风扇式湍流燃烧定容弹，风扇分别安装与上、下两个端面，风扇不间断转动在定容燃烧弹中心形成湍流环境。研究表明：定容燃烧弹中心区域的湍流环境接近各向同性湍流且湍流强度与风扇转速之间是线性关系。以上研究都是对燃烧特性随着湍流强度的变化。并未对风扇产生湍流环境进行细致研究，所以在进行湍流燃烧特性进行研究时会出现不理想的试验工况。所以本研究对湍流燃烧弹内部湍流稳定区域变化进行研究。

2 试验装置以及计算工况

本文主要以如图1所示湍流燃烧试验平台为基础进行分析燃烧弹内部湍流场的变化。该试验台由不锈钢密闭燃烧容器、湍流产生系统、点火系统和压力数据采集系统组成。湍流容器设计成球形空腔，容器内径为380mm，净容积为28.73L［14］。

图1 预混湍流燃烧试验台燃烧容器

湍流产生系统由四个独立的风机机组组成，每个风机机组由一个轴流式风机、一个磁力联轴器、一个电动机和一个变频器组成。在每台风机电机组中，风机通过磁力联轴器与电机连接，电机的运行状态由容器外的变频器控制。四个风扇电机组以金字塔形垂直安装在船上，金字塔形的几何中心与船的中心重合。四组风扇电机由变频器给定速度，轴流式风扇将以相同的速度旋转前进形成漩涡流，漩涡流进一步通过多孔板，然后来自四个方向的射流将在四个风扇电机组的几何中心碰撞，形成各向同性的湍流。湍流强度可由风机的转速控制。研究中，风扇的总直径为90mm［15～17］。

本文根据该试验平台建立燃烧室物理模型，四个风扇入口位于该球体内接正四面体顶点处，如图2。

图2 燃烧室物理模型

风扇旋转速度所对应燃烧室中心湍流强度以及风扇入口压强列于表1。这里的湍流强度用流量的脉动速度均方根值表示。在Fluent中采用in⁃take-fan来模拟轴流风扇。根据燃烧中心位置的湍流强度来确定风扇入口的压力值。

表1 在本研究中，湍流强度、风扇入口压力与驱动速度相对应的值

3 数学方法以及模型

模拟完全遵循三大守恒定律：质量守恒、动量守恒及能量守恒方程，控制方程如下。

其中：ρv为气体密度；ui、uj为速度分量；p为压力；T为温度；μ为黏度；δij为Kronecker delta数；E为气体总能；keff为有效导热系数；τeff为有效应力张量。

本文湍流燃烧弹内部湍流分析中选用压力基求解器，湍流模型采用RNG K-e模型。在计算前还需要对求解过程进行控制。主要进行初始条件以及边界条件进行设置，并且对燃烧室中心点进行速度监测。初始条件以及边界条件设置如表2所示。

表2 初始条件以及边界条件设置

试验系统所营造的湍流流动高度非定常，湍流流动的强弱用无量纲湍流（I）加以衡量，其定义为湍流流动脉动速度均方根值（urms）与湍流流动平均值（u）的比值。针对定容燃烧弹内的湍流流动而言，容弹内部没有真实的、稳定的主流流动，因此不宜采用上述湍流强度对容弹内部的湍流流动的强度予以表征。在类似的研究中，往往多采用urms作为湍流强度的量化标准。

特定方向（x）上脉动速度的均方根可以表示为

而对于空间速度均方根则表示为

对于无量纲湍流强度而言，可以表示为

4 结果分析

4.1 燃烧弹湍流强度分析

本文模拟监测了定容燃烧弹几何中心点在不同初始压力下不同风扇强度的湍流强度。图3为在不同初始压强下不同风扇强度湍流燃烧弹几何中心点湍流强度的变化曲线。在初始压强为10bar下，随着风扇强度从5MPa的增加到8MPa中心监测点的湍流强度也由0.5m/s增加到1.77m/s，并且在7MPa到8MPa时，湍流强度出现了明显的增强。这个现象也发生在其他初始环境压强下。初始条件为40bar时，湍流强度随着风扇强度的增强由0.12m/s增加至0.49m/s。模拟结果在相同初始环境压强下，湍流强度随着风扇压强增强而增强。并且初始环境压强越低湍流强度变化灵敏度更大。而且在相同的风扇强度下，初始环境压强对湍流强度起抑制作用。风扇强度为5MPa时，初始环境压强为10bar，监测点湍流强度最大为0.5m/s。随着初始环境压强的增强，在40bar时，湍流强度减小至0.12m/s。在风扇强度为8MPa时，随着初始环境压强的增强，湍流强度由1.77m/s减小至0.49m/s。从监测点湍流强度可以分析出随着初始压强变大其湍流强度变化幅值变小。所以在试验中通过调节风机的转速，可以调控定容燃烧弹内部湍流强度的大小。

图3 在四种不同压强下湍流燃烧弹中心点的湍流强度

如图4所示，燃烧弹的四个风扇强度基本一致，定容弹内部的湍流强度与湍动能场呈现出均匀对称的分层式分布特点，湍流强度及湍动能从中心位置到外围逐层减小，在不同方向上，距离中心点相同的位置处的湍流强度与湍动能基本相同。

4.2 风扇强度对湍流燃烧弹湍流稳定区的影响分析

在实际试验过程中，由于定容燃烧弹内径为380mm，可用于火焰传播特性参数研究直径约占定容燃烧弹内径的三分之一，即在此空间内是观察火焰传播特性最佳区域，称之为湍流稳定区域。如图4所示，是在湍流燃烧弹初始压力为10bar，过几何中心点三个相互垂直截面的湍流强度分布。在后处理中以湍流强度差值为0.1m/s为一个梯度进行数据处理，从而找到湍流稳定区域。模拟得出随着风扇强度的增加其湍流稳定区域半径在变大，找到合适的湍流稳定区域有利于观察火焰的传播。通过图片处理，得出三个截面最大湍流稳定区域半径以及最小湍流稳定半径，并且以三个截面中最小湍流稳定半径定为最佳湍流区域稳定半径。

图4 初始条件为10bar下，不同风扇强度三个不同方向截面的湍流强度（a、b、c、d代表着风扇强度为5、6、7、8MPa）

图5为不同初始压强下湍流稳定区域径率即湍流稳定区域半径占湍流燃烧弹内半径的比率。在初始温度为 298K，研究了 10bar、20bar、30bar、40bar四种不同初始环境压强下风扇强度对湍流稳定区域半径的影响。通过对比四种初始压力下湍流稳定区域半径曲线。发现在不同风扇强度下，风扇强度越大则湍流稳定区域半径就越大。而且随着风扇强度的增大，湍流稳定区域半径的变化差值在变小。并且三个截面的最小湍流稳定区域半径变化几乎一致。通过比较最大湍流稳定区域半径与最小湍流稳定区域半径的差值，上截面的湍流稳定区域半径差值最小，所以在此截面上湍流稳定区形状更趋近圆形。在风扇强度压差为5MPa时，四种初始环境下核心湍流稳定区域径率明显小于燃烧弹内径的三分之一，所以在这种工况下是不利于观察湍流燃烧扩散特性。所以在选择湍流燃烧工况应该避免此种条件，在选择风扇强度时应该大于5MPa。

图5 不同初始压强下湍流稳定区域半径径率曲线

4.3 初始气压对湍流燃烧弹湍流稳定区的影响分析

如图6所示，在保持风扇压差相同的情况下，初始环境压强从10bar增加到40bar时，核心半径径率差值最大仅仅为0.02。所以初始压强主要对湍流强度有影响，对湍流稳定半径影响较小。湍流强度变化由外侧向中心点逐渐增强，且增强的速率递减。此种规律与上节情况相同，不过相比较于风扇强度的影响，初始环境压强的影响要小于前者。如图7所示，分别为不同风扇强度在不同初始环境压强下的湍流稳定区域径率的变化规律。可知在四种不同风扇强度下随着初始环境压强变大，其达到湍流稳定区域的半径也在变大。在风扇强度为5MPa的情况下，不论在何种初始环境压强下，其湍流稳定区域半径大小都低于燃烧弹内径的三分之一。因此在此工况下，不利于进行湍流燃烧特性的研究。三个不同截面中，上截面稳定区域半径最大值和最小值变化同样也是最平缓的，而且两者的差值也最小。在以后研究中主要取上截面稳定半径为核心湍流稳定区域半径。这是由于风扇位置可能存在误差，在上截面受到风力最为均匀。在四种风扇强度下，初始环境压强对前截面以及左截面上最大湍流稳定区域半径产生很大影响，随着初始环境压强的增大其湍流稳定区域半径增长较快。而对于最小湍流稳定区域半径上，其值变化依然很小。说明此种湍流燃烧弹符合试验设定。

图6 风扇强度为6MPa下，不同初始压强下三个不同截面的湍流强度分布（a、b、c、d代表初始压强分别为10、20、30、40bar）

图7 不同风扇强度下湍流稳定区域半径径率曲线

湍流稳定区域越大，这对于研究湍流燃烧扩散更加方便。所结合上文分析出在初始环境压强40bar和风扇强度为8MPa时，核心湍流稳定区域半径最大，约占燃烧弹内径的0.54。在保持风扇强度为8MPa以及初始环境压强为10bar时，核心湍流稳定区域达到最大湍流强度。在这种工况下可以更清楚地看出火焰前锋面的波折程度，而且在保证有足够湍流稳定区域同时，该工况火焰传播速度也最快。

5 结语

新型湍流燃烧弹可以有效地通过控制风扇强度以及初始环境压强来控制湍流稳定区域的湍流强度和范围，为我们研究湍流与燃烧过程的相互作用提供很大的帮助。本研究基于Fluent软件对湍流燃烧弹内部流场进行了数值模拟，对数值模拟结果进行分析。

燃烧弹的四个风扇入口气体压强基本一致，定容弹内部的湍流强度与湍动能场呈现出均匀对称的分层式分布特点，湍流强度及湍动能从中心位置到外围逐层减小，在不同方向上，距离中心点相同的位置处的湍流强度与湍动能基本相同；湍流燃烧弹中心监测点的湍流强度随着风扇压差的增大而增大，而且初始环境压强对湍流强度起着抑制的作用；湍流稳定区域半径的大小随着风扇强度增强而增大，并且随着初始压强增大而增大，但是初始压强对湍流稳定区域半径的影响没有风扇强度明显。所以燃烧弹可以通过控制风扇强度以及初始环境压强来改变燃烧弹内部流场特性进而分析湍流燃烧火焰传播特性。