Effect of nonlinear wave-current interaction on flow fields and hydrodynamic forces

A fifth-order theory for solving the problem of interaction between Stokes waves and exponential profile currents is proposed. The calculated flow fields are compared with measurements. Then the errors caused by the linear superposition method and approximate theory are discussed. It is found that the total wave-current field consists of pure wave, pure current and interaction components. The shear current not only directly changes the flow field, but also indirectly does sx, by changing the wave parameters due to wave-current interaction. The present theory can predict the wave kinematics on shear currents satisfactorily. The linear superposition method may give rise to more than 40% loading error in extreme conditions. When the apparent wave period is used and the Wheeler stretching method is adopted to extrapolate the current, application of the approximate theory is the best.

障碍物扰动对半开口管道中火焰传播特性的影响

自从1926年Chanman和Wheeler率先开创有障碍物管道中的火焰传播研究工作以来，管道中障碍物扰动引起的火焰加速现象引起了广泛的关注。由于这类现象在燃烧科学上的学术意义及其在生产中诸如安全问题等方面的实际意义，人们相继进行了一系列的研究工作。归纳起来，可以分为两大类：1）封闭管道的火焰传播。人们在不同形状的管道或容器中研究了障碍物对火焰加速的影响，在理论分析和数值计算方面也作了一些有益的工作；2）开口管道的火焰传播。相对于闭口管道，开口管道中的火焰传播研究则逊色得多。这方面尚缺乏系统的实验数据，理论方面的分析也欠缺得多。但当前在实际中，并不乏开口体系的应用，如，现已广泛应用于电力系统的一种燃气除灰装置，是一燃烧气体燃料的半开口系统。因此，研究半开口管道中非稳态燃烧的加速机制具有重要意义。在本论文工作中，通过大量的实验研究，比较系统地研究了障碍物的扰动对预混火焰传播特性的影响。实验在一长L=5m、内径D＝80mm的一端封闭、一端开口的火焰传播管内进行，管内均匀布置障碍物，通过改变障碍物的形状、间距、阻塞比大小，同时选用五种不同的可燃气体，探索了障碍物结构对预混湍流火焰加速和管内压力上升的影响。实验表明，对于敏感气体如氢气和乙炔，由于障碍物扰动产生的影响，火焰不断加速，并最终达到一准稳定状态；在适当的条件下，火焰传播状态可由爆燃向爆轰转变，此时火焰速度发生跃变；而对干不敏感气体如甲烷，则爆燃转爆轰现象不容易发生。在不同的火焰传播状态，障碍物结构特性对火焰速度和压力产生的影响各不相同。在缓燃态，随着阻塞比的变化，最大火焰速度先上升后下降，在BR=0.3～0.4之间存在一最大值；在銮塞态，最大火焰速度受阻塞比变化的影响不明显，略低于燃烧产物的声速；在阻塞比BR＝0.5附近，压力达到最大值。而在爆轰态，随着阻塞比的增加，最大火焰速度和压力逐渐降低，爆燃转爆轰的浓度范围变小。由于在有障碍物的管道中，火焰速度很容易达到声速（变塞态）或超声速（爆轰态），必须考虑流体的马赫数效应。本文在前人研究成果的基础上，给出了湍流马赫数修正的可压缩性两方程湍流模型，模拟了半开口狭长管道中重复布置的障碍物引起的湍流火焰加速现象。最大火焰速度和管内压力的计算结果与实验测量值吻合良好，这表明用修正后的湍流模型能够比较真实地模拟障碍物管内预混火焰的发展过程。通过对管道内障碍物扰动引起的燃烧波加速的机理和技术研究，对流场扰动对燃烧波产生和发展的影响规律有了比较全面的了解，研究结果对气脉冲除灰技术的完善具有直接的指导意义。