页岩气湍流预混火焰的直接数值模拟研究.doc

页岩气湍流预混火焰的直接数值模拟研究环境污染、能源短缺是制约人类社会发展的重要因素,寻找新型燃料,探寻高效、清洁的燃烧方式是解决能源短缺和环境污染问题的重要手段。页岩气作为一种非常规天然气,具有储量大、燃烧后污染物排放少等特点。其合理的开采使用对我国能源结构的优化和环境保护具有重要的意义。对页岩气燃烧过程中复杂的流动与燃烧耦合的物理化学机制的深入认识,是设计和制造高效、清洁燃烧设备的基础。论文首先提出了一种高效机理简化方法,并用于页岩气化学机理的简化,然后对页岩气湍流预混燃烧过程进行了直接数值模拟。采用直接数值模拟方法较为全面地研究了页岩气燃烧过程中湍流与火焰的相互作用,探讨了涡团所引起的拉伸、弯曲等对火焰特性的影响规律。论文主要工作及研究成果如下:(1)为了获得高效、精确的简化机理,提出了一种基于多级多参量分析的新型机理简化方法。多种燃料和工况的测试证明了该机理简化方法的高效性和实用性。基于该机理简化方法构建了包含26种基元组分与44个基元反应的页岩气骨架反应机理,为燃烧数值模拟提供了必要的基础。(2)为了获得燃烧与流动耦合的详细特性,基于燃料燃烧过程的基本守恒规律,构建了适用于复杂湍流燃烧模拟的并行直接数值模拟系统。典型湍流燃烧模拟结果证明了所构建的直接数值模拟系统的合理性。该模拟平台为页岩气燃烧过程的详细模拟提供了强有力的分析工具。(3)基于搭建的直接数值模拟系统,利用构建的页岩气化学反应机理,对页岩气湍流预混火焰进行了三维直接数值模拟。通过对页岩气湍流预混燃烧过程的分析,找出了湍流与火焰的相互作用机制,获得了射流速度、当量比等参数对火焰特性的影响规律。本文工作有助于对页岩气燃烧特性的深入认识,从而为设计合理高效的页岩气燃烧设备提供指导,为进一步开发利用页岩气提供理论基础。同时,本文所提出的机理简化方法和直接数值模拟方法也可为其他燃料及其复杂反应流分析所借鉴。