横射流预混燃烧的直接数值模拟研究

程梦真，王海鸥，罗 坤，樊建人

横射流预混燃烧的直接数值模拟研究

程梦真，王海鸥，罗 坤，樊建人

(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)

横射流；预混燃烧；数值模拟；热释率替代物

横射流(jet in cross-flow)是指射流以一定的角度注入横向来流的流动形式．最常见的横射流是射流垂直注入来流．由于射流与来流的相互作用，横射流具有复杂的涡结构．过去的研究详细讨论了横射流中发展段的反旋涡对、位于射流/来流边界处的剪切涡、近壁面处包裹射流的马蹄涡和由壁面边界层发展出的直立尾流涡[1-3]．复杂的涡结构使得横射流与自由射流相比具有更强的混合能力，有利于提高燃烧室中的燃烧强度．除此之外，横射流还可以促进火焰稳定，被广泛应用在燃气轮机[4]、喷气式发动机[5]、火箭发动机[6]等动力装置中．

实际应用的横射流燃烧大多在非预混条件下进行，即射流中只有燃料或氧化剂，相关的研究成果已非常丰富[7-9]．预混燃烧，尤其是贫燃预混燃烧，可以有效避免高温，减少NO等污染物的生成．横射流预混燃烧技术有良好的应用前景，但现有的横射流预混燃烧研究十分有限．实验研究方面，Wagner等[10-12]和Pinchak等[13]设置了乙烯/空气预混射流射入高温丙烷燃烧产物来流的系列实验，研究了不同射流当量比、射流温度和动量比对横射流流场特性和火焰稳定性的影响．他们发现横射流火焰存在两个分支，分别为由自着火控制的迎风侧抬升火焰和附着在射流出口附近的背风侧火焰．Schmitt等[14]和Kolb等[15]对预混的天然气/空气横射流燃烧进行了多工况下的实验测量和研究．在实验的基础上，用数值模拟的方法可以获得更多无法测量的变量信息，有利于更加深入的分析．大涡模拟研究方面，Schulz等[16]在Wagner等[12]实验的基础上对预混横射流的火焰结构进行了分析，探讨了迎风侧抬升火焰的形成机理．但是大涡模拟无法求解详细的流动和火焰结构，具有一定的局限性．直接数值模拟方法求解所有的流动和火焰尺度，能够揭示详细的横射流预混火焰特性．本文将对Pinchak等[13]的实验进行直接数值模拟研究．

热释率是火焰的重要物理量，其空间分布可以帮助确定火焰面位置，局部热释率还可以表征燃烧速率，但是热释率无法在实验中直接测量得到．为了实现其间接测量，热释率替代物的研究十分重要．热释率替代物通常由组分浓度或组分浓度乘积来表示.组分浓度可以用PLIF等方法获得．过去的文献中已经提出了多组适用于烷烃燃烧的热释率替代物[17-19].比如Wang等[19]用直接数值模拟的方法对甲烷/空气预混自由射流进行研究，提出了新的热释率替代物.虽然烷烃燃料燃烧中热释率替代物的研究较多，烯烃燃料燃烧的热释率替代物还需要进一步探索和验证.

在上述研究背景下，本文使用直接数值模拟的方法，对乙烯/空气横射流预混燃烧进行研究，展示了横射流速度场的特点以及燃烧对其速度场的影响，提出了不同的热释率替代物并进行了验证．

1 算例设置与数值方法

图1 横射流预混燃烧算例示意

本文使用的直接数值模拟程序[21]由FORTRAN 90语言编写，使用MPI(Message Passing Interface)标准进行多核并行运算．完整的可压缩Navies-Stokes方程、能量方程、组分方程和连续方程在三维笛卡尔网格上进行求解；采用六阶段四阶显式Runge-Kutta方法进行时间推进，采用八阶中心差分的方法进行空间离散，使用十阶过滤消除高频数值振荡．采用22组分的简化乙烯机理[22]来描述乙烯燃烧，该机理已经在自着火、层流火焰传播等计算中得到验证．

2 结果与讨论

2.1 速度场特点及燃烧对其影响

Wagner等[11]提供了射流当量比为1.2、不同动量比实验条件下的横射流轨迹(由中心流线定义)．值得注意的是本文的射流当量比为0.6，在没有化学反应参与的情况下，当量比并不是决定横射流发展的主导因素，所以本文将仍然用动量比相同而当量比不同的两个无反应工况进行对比．计算得到的横射流轨迹与实验数据的比较结果如图2所示．首先对比流动算例与实验数据，可以看出模拟结果与实验相比在上游偏移较小，在下游弯折较大．但整体与实验结果相近，证明了数值模拟的可信度．对比流动算例与燃烧算例的计算结果，可以看出有化学反应的情况下射流更加深入来流．燃烧时气体温度升高，速度增加.射流的速度衰减变缓，呈现出更加深入来流的轨迹．

图2 中心流线定义的横射流轨迹

横射流的速度场分布比较复杂．下面将对射流方向速度、来流方向速度以及与射流轨迹相关的速度进行分析，并对比纯流动和燃烧算例的结果以探究燃烧对横射流速度场的影响．

图3 流动算例和燃烧算例的平均速度在对称平面内的分布

图4 对称平面内不同高度对应的x方向平均速度分布

图5 对称平面内平均速度和射流速度沿射流轨迹的分布

横射流存在复杂的流场结构，具有特点的涡结构受到广泛的关注．图6展示了对称平面内和＝平面内的涡量分布．由图6(a)和(b)中可以看出，射流出口处由于剪切最强，所以涡量最大．另外，迎风侧的来流/射流剪切层和背风侧回流区都具有较大的涡量．与流动算例相比，燃烧使得横射流下游的湍流更快地耗散，涡量较小．图6(c)展示出了流动算例中的反旋涡对，可以看出涡对处具有较大的涡量且有复杂的湍流结构，而图6(d)则说明相同位置的湍流由于燃烧的作用有较大程度的耗散，反旋涡对已无法用涡量清晰展示．

图6 对称平面内及x＝d处流动算例和燃烧算例的涡量分布

综上所述，燃烧使得流速衰减更慢，湍流耗散更快，射流轨迹更深入来流．

2.2 热释率替代物分析

图7 、和在对称平面内的瞬时分布

图8 归一化组分浓度乘积关于归一化热释率的散点图

表1 组分浓度乘积分布与热释率分布的相关系数

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

3 结 论

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(责任编辑：武立有)

Direct Numerical Simulation of Premixed Reacting Jet in Cross-Flow

Cheng Mengzhen，Wang Haiou，Luo Kun，Fan 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．

国家自然科学基金优秀青年科学基金资助项目(52022091)；国家自然科学基金重大研究计划集成项目(91841302).

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

王海鸥，男，博士，研究员，wanghaiou@zju.edu.cn.