基于VOF方法的多液滴燃烧特性研究

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气液两相喷雾燃烧广泛应用在工业设备中。它是受湍流、两相流动、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化学过程,存在着相间和相内的质量、动量和能量传递,并且各个过程在耦合时会引入新的问题。因此,喷雾燃烧研究对于提高燃烧效率、降低污染物生成、优化燃烧器性能有很强的实际应用价值,且具有非常重要的科学意义。  单液滴蒸发燃烧研究到喷雾燃烧研究必然历经多液滴研究过程,并且液滴间的相互作用对喷雾燃烧中局部火焰形态、液滴瞬时燃烧速率等微观过程具有重要的影响,而在当前喷雾蒸发与燃烧模型中几乎没有考虑毗邻液滴间的相互作用。为了研究分析相邻液滴间的相互作用,本文采用了VOF两相流模型数值研究了前后移动双正癸烷液滴在对流空气中的蒸发燃烧规律,并在此基础上加入新的液滴计算分析了三、四个液滴燃烧特性。液滴初始温度为300K,空气温度为1100K,流场压力为0.1MPa,氧气质量分数为23%,空气速度为0.3m/s,流体流动为层流。液滴和气相采用了轴对称模型,化学反应采用了一步、不可逆的总包反应,气液两相材料属性为变物性。在充分考虑气液相物性参数变化、液滴变形和气液间传热传质特性的基础上,给出了计算条件下的液滴间距、液滴直径大小和液滴数量对多液滴燃烧特性影响的变化规律。  结果表明:液滴受到对流效应,火焰首先产生在下游处,之后会逐渐克服对流效应往上游发展,最终形成全包火焰;液滴蒸发可分为预热期和稳定蒸发期;前后液滴同等大小时,和单个液滴相比,液滴之间的相互作用都降低了每个液滴的蒸发率,并在任何不同液滴中心间距和直径下,前液滴的燃烧速率大于后液滴的燃烧速率;在液滴间距2.5R~6R之间,前液滴燃烧速率随着间距的增大迅速升高,而在6R之后,前液滴燃烧速率接近同等条件下单液滴的,后液滴的燃烧速率随着间距的增大而增大,且前后液滴燃烧速率的差值在中心间距5R附近处达到最大值;任何同等相对中心间距下,液滴越小,液滴的相对燃烧速率越大,小液滴蒸发率的降低程度比大液滴降低程度大,且前、后液滴燃烧系数随直径变化呈线性关系。对于三、四个液滴,沿气流方向,第一个液滴燃烧速率最大,且随液滴数量增多而减少,其次是最后液滴,中间液滴燃烧速率最小,同时不同数量的相同结构多液滴各个相对位置上的液滴燃烧速率规律很相似。
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