基于大涡模拟的超声辅助湍流燃烧数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Numerical investigation of ultrasonically assisted turbulent combustion using Large-Eddy Simulation

　　

摘要

声激励、湍流流动结构和燃烧过程之间的相互作用引起了广泛关注，因为它可以提高燃烧效率和火焰稳定性。然而，超声激励对湍流非预混燃烧的影响，特别是其对湍流产生、涡旋演化和火焰稳定化的作用，目前仍缺乏充分认识。因此，本研究采用瞬态大涡模拟（LES）框架耦合声学与燃烧模型，数值研究了超声激励对双入口燃烧器中湍流非预混燃烧的影响。改进后的燃烧器采用了7°内倾角燃油喷射设计以增强相对燃油射流之间的相互作用，并设置了下游多孔区域以促进流动再分配并抑制大尺度流动波动。通过在不同工况下评估温度、速度、湍动能（TKE）、涡量、火焰指数和燃烧效率分布，来评价超声激励的效果。结果表明，超声激励增强了剪切层不稳定性及声流效应，导致更强的卷吸作用、湍流活动增加以及燃油-空气相互作用改善。改进的入口构型进一步促进了混合区域中的射流相互作用和湍流产生，而下游多孔段则有助于形成更稳定的下游流场。TKE和涡量分布的分析证实，在声学强迫作用下形成了更强的涡旋结构并增强了湍流输运，从而产生更宽且更均匀的反应区。在有利工况下，温度分布也更加均匀，局部热梯度降低。在所研究的激励频率中，30–40 kHz在增强混合与火焰稳定性之间提供了最佳平衡，而60 kHz的较高频率则增加了局部火焰熄灭的倾向。总体而言，结果表明超声激励结合改进的燃烧器构型可以有效增强湍流混合并在所研究的工况下改善火焰稳定化。

引言

湍流反应流动是众多工程系统的基础，从内燃机和燃气轮机到工业燃烧器和推进装置，其中湍流、混合与化学反应动力学之间的耦合决定了功率输出、效率和污染物生成。过去几十年来，湍流燃烧建模取得了显著进展；然而，在实际几何构型中预测和主动控制湍流-化学相互作用仍然是一个核心挑战。湍流建模的进步（包括k-ω等两方程模型以及更高级的RANS/LES方法）以及化学-湍流封闭模型的发展（例如涡耗散概念及其扩展）实质性地提高了预测能力。尽管如此，对入口条件、喷射几何和外部强迫的强敏感性仍然存在[1]。利用声或超声强迫进行主动流动控制最近引起了重新关注的兴趣，作为一种非侵入式方法来改变混合、火焰形状和燃烧动力学。声场通过多种机制与火焰和剪切层相互作用：（i）声流和稳态平均流动改变对流输运；（ii）相干涡旋结构的共振激励改变卷吸和标量混合；以及（iii）在高振幅下的局部压力振荡和冲击效应可以改变反应区。实验和数值研究已证明，声激励既可以稳定也可以使火焰失稳，这取决于频率、振幅和几何构型，并且可以强烈影响火焰起皱程度、长度和热量释放分布[2]，[3]，[4]，[5]，[6]。超声——通常定义为频率高于20 kHz的声波——产生的物理效应与低频声学有所不同。在液体中，超声空化导致强烈的局部剪切、微射流和高应变率区域，从而加速混合和化学转化；在气体中，高频声强迫促进声流和细尺度振荡运动，从而增强标量输运而不一定产生空化。近期的综述和研究报道了超声增强传热和质量传递在多种介质和几何构型中的应用，越来越多的证据表明超声可以用于改善燃料喷射系统中的雾化、液滴破碎和喷雾均匀性[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。就燃烧而言，超声和声激励已被用于以下目标：（a）增强点火前的喷雾雾化和燃油-空气混合；（b）改变剪切层卷起和卷吸以改变火焰稳定化和长度；（c）促进火焰表面起皱以增加火焰表面积和燃烧速率；以及（d）通过改变声学与热量释放之间的模态耦合来抑制或减轻热声不稳定性。经验证据表明，在一些超声辅助燃烧构型中，炭黑和局部CO排放有所降低，并且在适当调节时，贫燃条件下的火焰稳定性得到改善。然而，响应高度依赖于具体构型，且底层的流动-声学-化学途径尚未完全阐明[4]，[6]，[8]，[12]，[13]，[14]，[15]。从数值角度看，将瞬态声场耦合到反应流动求解器具有技术挑战。方法从单向耦合（施加声速/压力扰动）到完全耦合的非线性声学（与可压缩反应Navier-Stokes方程同时求解）不等。对于实际工程尺度和中等马赫数，一种常见策略是求解带有施加的时变声强迫项或源模型的低马赫数反应流动——这种方法可以捕捉主导的混合变化，同时保持计算上的可行性。湍流-化学相互作用通常用涡耗散概念（EDC）或火焰面模型等模型表示，而在先进的湍流建模方法中，大涡模拟（LES）相比传统RANS模型能更准确地描述非稳态湍流结构和湍流-化学相互作用。因此，本研究采用LES并结合动态Smagorinsky-Lilly亚网格尺度模型[1]，[16]，[17]，[18]，[19]。

近期几项研究直接考察了与发动机和燃烧器相关的声学强迫或超声辅助燃烧。关于声学强迫射流火焰和钝体稳定火焰的实验研究表明，涡旋动力学和火焰起皱发生了显著变化，导致热量释放和污染物生成的改变。关于超声雾化和超声辅助燃烧的数值和实验研究报告了喷雾特性改善以及局部未燃碳氢化合物浓度降低（当在喷射器处或上游施加超声激励时）。这些研究共同表明，受控的声学扰动——如果以适当的频率、振幅和几何构型施加——可以作为主动控制手段来加速混合、增加有效燃烧速率，并将反应区从壁面移开，因为在壁面处的膜形成和壁面熄灭会促进未燃碳氢化合物的产生[6]，[10]，[14]，[20]，[21]，[22]，[23]。

尽管有这些令人振奋的发现，仍存在显著空白：（i）缺乏在湍流反应条件下对喷嘴几何、喷射角和声学源位置的系统参数映射；（ii）将声能转化为增强湍流混合和改变化学路径的主导机制尚未在不同尺度上得到全面量化；（iii）将高频声场耦合到工程几何构型反应流动求解器的经验证数值框架仍然稀缺。解决这些空白将使实际超声辅助燃烧系统的设计成为可能，以实现减少排放和提高效率[2]，[6]，[16]，[24]。

基于上述背景，本研究对非预混湍流射流燃烧器在外部施加的20 kHz超声场（由靠近入口处的碗形换能器发射）作用下的响应进行了详细的数值研究。使用ANSYS Fluent，采用了完全瞬态的大涡模拟（LES）框架。未解决的亚网格尺度湍流使用动态Smagorinsky-Lilly模型进行建模，而湍流-化学相互作用则使用涡耗散概念（EDC）表示。该工作探讨了喷嘴间距和喷射角的影响，量化了CO2和未燃碳氢化合物分布的变化，考察了火焰起皱和高度，并识别了将反应区从壁面移开的操作条件——从而减少燃料膜的形成。结果提供了全面的参数数据集和物理解释，以指导未来超声辅助燃烧系统的实验和应用开发[23]，[24]。

越来越多的近期研究强调了超声激励、先进诊断技术和数值建模在各类工程系统中的广泛适用性。Chen等人[25]探索了一种用于测量小型螺栓预紧力的压电超声共振方法，展示了超声方法在精确无损测量和表征方面的前景。Zhou等人[26]进行了实验以表征超音速交叉流中液体射流的液滴尺寸和速度分布，为高速流动、雾化和喷雾行为之间的相互作用提供了有价值的见解。Han等人[27]研究了超轻圆筒中的涡激振动，强调了涡动力学和流动诱发振荡在能量传递和流-固耦合中的作用。Liu等人[28]提出了一种压缩-解耦发动机循环以实现高功率密度，强调了创新燃烧循环设计对提高发动机性能的价值。Wu等人[29]研究了大型低速双燃料船用发动机的贫油-富油耦合燃烧策略，展示了优化的燃料分布和燃烧控制如何同时提高效率和减少排放。Xie等人[30]开发了一种基于机器学习的船用柴油机热故障诊断框架，展示了数据驱动方法在监测复杂热系统方面的日益重要作用。Pang等人[31]应用机器学习研究了燃料相关共聚物中孔隙-渗透率演化，突出了计算方法在预测燃料相关材料输运特性方面的潜力。Jiang等人[32]开发了柔性杆-流体相互作用的改进数值方法，进一步强调了准确数值处理耦合流体动力学现象的重要性。Hou等人[33]研究了非预混旋转爆震发动机中的火焰加速和爆震再激发，强调了湍流流动结构、火焰传播和燃烧动力学之间的强相互作用。Qiu等人[34]对超音速多支柱环形燃烧器中增强火焰扩散宽度的方法进行了实验研究，展示了燃烧器几何和流动组织在控制火焰发展中的关键作用。Yang等人[35]考察了具有改进旋流雾化结构的微蒸发管式环形燃烧器的性能，强调了旋流诱导混合和雾化对增强燃烧性能的贡献。Zhu等人[36]开发了用于高空地面试验设施的温度-湿度-压力耦合动态模型，展示了集成多物理场建模在复杂工作环境准确预测中的重要性。最后，Li等人[37]通过数据同化和求解策略评估研究了低普朗特数负浮力射流的湍流传热建模，强调了适当湍流建模和数值技术对准确预测复杂湍流输运过程的必要性。这些研究共同证实，超声激励、涡动力学、先进燃烧构型和高保真数值建模是控制和理解复杂反应流动系统的有价值工具。然而，超声激励、倾斜双燃料喷射、湍流涡旋演化和下游流动调节在非预混燃烧室中的综合效应尚未得到充分考察。这一空白促使本研究的开展，本研究利用瞬态LES框架聚焦于超声强迫与湍流燃烧之间的相互作用。

采用带有单向声强迫的瞬态LES框架，研究超声激励对双入口燃烧器中湍流非预混燃烧的影响。仿真在ANSYS Fluent中进行，使用约120,000个有限体积单元，湍流采用LES模型，湍流-化学相互作用采用EDC模型。燃油和空气入口分别为74 m/s和0.6 m/s，雷诺数为16,200。燃烧器宽度为80 mm，长度为6.88 mm。使用完全耦合的声学-燃烧仿真，考察了20 kHz超声强迫对双入口非预混燃烧器中湍流、火焰行为和化学转化的影响。观察到CO?生成集中在中心反应区。与以往主要关注超声对全局燃烧特性的影响不同，本研究引入了具有内倾燃油喷射和下游多孔区域的双入口燃烧器几何构型。使用完全耦合的LES框架研究了倾斜射流相互作用、多孔流动行为和超声激励对湍流产生、涡旋演化和火焰稳定化的综合效应。尽管先前的研究表明超声激励可以增强燃烧效率并改善燃油-空气混合，但仍有几个关键问题未得到充分解决。现有研究主要集中在整体燃烧特性上，如温度场和火焰行为，而声学激励、湍流流动发展和详细涡动力学之间的耦合相互作用则较少受到关注。此外，在不同工况下对湍动能（TKE）、涡量演化和火焰指数行为的综合研究仍然有限。为了克服这些局限，本研究建立了基于瞬态LES的反应流动模型，采用单向声强迫，使用大涡模拟（LES）来考察超声激励对双入口燃烧器中湍流非预混燃烧的影响。

本文系统评估了激励频率、声学幅值、声源位置、旋流强度和当量比对燃烧过程的影响。重点通过分析湍动能（TKE）、涡量及火焰指数分布，揭示湍流演化、涡结构发展及火焰稳定性的内在机理。峰值质量分数呈现3–5 mm的上游偏移，凸显了声源附近反应速率的增强。本工作的主要贡献总结如下：

- 开发了一套完全耦合的基于大涡模拟（LES）的声–流–燃烧框架。
- 在多个运行参数条件下，对超声激励效应进行了全面研究，包括频率、声学幅值、声源位置、旋流数和当量比。
- 利用湍动能、涡量幅值和火焰指数分布对燃烧行为进行了详细表征。
- 识别了超声驱动下湍流增强、火焰稳定及燃烧性能的内在机制。

## 数值方法

本研究采用了一种改进的双入口燃烧室，同时保留了整体燃烧器配置以维持可比的燃烧行为。两个燃料入口略向燃烧室中心线倾斜，内倾角为7°。燃烧室的总长度和直径分别为95 mm和82 mm。燃烧室由三个区域组成，包括混合区（25 mm）、燃烧区（62 mm）以及靠近出口的多孔区（8 mm）。

## 径向速度剖面和喷嘴位置验证

图3通过将ANSYS Fluent模拟得到的径向速度剖面与Barlow等人[38]的实验结果进行对比，验证了本文所开发的数值模型。对比结果表明，LES模型能够准确捕捉燃烧器喷嘴附近的实验速度分布，并以可接受的吻合度再现主要流动特征。该验证确认了在施加超声激励之前数值方法的可靠性。

## 有限体积法

有限体积法（FVM）是一种用于求解支配流体流动、传热和组分输运的偏微分方程（PDEs）的数值方法，具体包括Navier-Stokes方程、能量方程和组分守恒方程。在FVM框架中，计算域（此处为燃烧器）被离散化为有限数量的小型控制体或网格单元，包含约120,000个三角单元。随后对控制方程进行积分处理。

## 结果与讨论

本研究表明，声波的施加可通过缩短燃烧时间和增加火焰长度来提高燃烧效率。然而，在不修改系统几何结构的情况下，通过外部驱动在燃烧流中诱发湍流，仍然是工业应用面临的关键挑战。图4展示了在0至4 ms时间范围内，以0.5 ms为时间间隔的燃烧器内速度场的时间演化过程，该过程发生在激励启动之前。

## 参数化研究设置

为了全面评估超声激励与湍流燃烧特征之间的相互作用，在不同工况下进行了参数化研究。系统性地变化了几个影响流动行为、火焰稳定性和燃烧性能的关键参数，同时保持其余运行条件不变。所研究的超声激励频率选取为20、30、40和60 kHz，以考察其影响。

## 结论

本研究采用了一种瞬态LES反应流模型，配合单向声学驱动，对超声激励对双入口燃烧器中湍流非预混燃烧的影响进行了数值研究。通过全面的参数化研究，分析了声学驱动、湍流结构及燃烧特征之间的相互作用。基于所得结果，主要发现总结如下：

- 超声激励可改善燃烧效率。

## 作者贡献声明（CRediT）

- Suleiman Ibrahim Mohammad：撰写——初稿，调查研究。
- Hamza Abu Owida：可视化，数据整理，概念设计。
- Asokan Vasudevan：撰写——初稿，指导，软件，调查研究。
- Rasha Ali Abdalhuseen：撰写——初稿。
- Sajid Abd Al Khidhir Abdullah：撰写——初稿，方法论。
- Omar Muhsin：撰写——初稿，验证。
- Hasan Khalid：撰写——初稿。
- Pooya Pasha：撰写——初稿，指导，项目管理。

## 资助声明

本文未获得任何资金资助。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

## 致谢

我们感谢扎尔卡大学（Zarqa University）提供的支持。

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