湍流燃燒數(shù)值模擬研究

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1、湍流燃燒及其數(shù)值模擬研究1?湍流燃燒1.1湍流燃燒基本概念當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)數(shù)較小時(shí)，由于流體粘性的作用，流體呈層流流態(tài)。當(dāng)流動(dòng)的特征雷諾數(shù)超過(guò)相應(yīng)的臨界值，流動(dòng)從層流轉(zhuǎn)按到湍流。湍流燃燒是指湍流流動(dòng)中可燃?xì)獾娜紵?，在能源、?dòng)力、航空和航犬等工程領(lǐng)域,經(jīng)常遇到的實(shí)際燃燒過(guò)程幾乎全部都是湍流燃燒過(guò)程。湍流燃燒實(shí)質(zhì)是湍流，化學(xué)反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)等過(guò)程相耦合的結(jié)果。湍流對(duì)燃燒的影響與湍流強(qiáng)度和湍流渦旋尺度有關(guān)。小尺度湍流通過(guò)湍流擴(kuò)散使火焰區(qū)內(nèi)的輸運(yùn)效應(yīng)增加，從而使化學(xué)反應(yīng)速率增加。但氣流脈動(dòng)不會(huì)火焰而產(chǎn)生皺褶，只能把火焰變成波紋狀。大尺度湍流對(duì)火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，但使火焰陣面出現(xiàn)皺

2、褶，增加其燃燒面積，造成火焰表現(xiàn)傳播速度增加。當(dāng)湍流強(qiáng)度及湍流尺度均較人時(shí)，火焰前沿不再連續(xù)而分裂成四分五裂。燃燒對(duì)湍流的影響主要表現(xiàn)在燃燒釋放的熱流流團(tuán)膨脹，影響氣體的密度和運(yùn)動(dòng)速度，從而影響當(dāng)?shù)氐臏u旋，湍流強(qiáng)度和湍流結(jié)構(gòu)。1.2湍流燃燒分類湍流燃燒按其燃料和氧化劑的初始混合狀態(tài)可以分類為：湍流非預(yù)混燃燒、預(yù)混燃燒和部分預(yù)混燃燒。在湍流非預(yù)混燃燒燃料和氧化劑事先是分離的，燃料和氧化劑一邊混合一邊燃燒，燃燒速率主要受湍流混合過(guò)程控制，而在湍流預(yù)混燃燒中，燃料和氧化劑在進(jìn)入核心燃燒區(qū)以前已經(jīng)充分混合，化學(xué)反應(yīng)的速率由火焰前緣從熾熱的燃燒區(qū)向冷態(tài)無(wú)反應(yīng)區(qū)的傳播所控制。上而

3、兩種燃燒方式是湍流燃燒的兩個(gè)極限情形，很多情況下兩種燃燒模式是并存的,稱為部分預(yù)混燃燒。部分預(yù)混燃燒可出現(xiàn)在下列情形中叫：（1）在一個(gè)完全以非預(yù)混燃燒為配置的燃燒裝置發(fā)牛了局部熄火；（2）當(dāng)預(yù)混火焰前緣穿過(guò)非均勻的混氣吋；（3）射流非預(yù)混火焰發(fā)生抬舉，其根部是一。個(gè)典型的部分預(yù)混火焰。這三種部分預(yù)混燃燒情形涉及了經(jīng)常受到關(guān)注的燃燒研究話題如局部熄火、火焰穩(wěn)定等，它們對(duì)研究湍流燃燒過(guò)程的機(jī)理有很大意義。在湍流燃燒中，湍流流動(dòng)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程冇強(qiáng)烈的相互關(guān)聯(lián)和相互影響.湍流通過(guò)強(qiáng)化混合而影響著吋平均化學(xué)反應(yīng)速率，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)放熱過(guò)程又影響著湍流，如何定量地來(lái)描述和確定這

4、種相互作用是湍流燃燒研究的一個(gè)重要內(nèi)容.湍流是非常復(fù)朵的，它包括湍流問(wèn)題，湍流與燃燒的相互作用，流動(dòng)參數(shù)與化學(xué)動(dòng)力參數(shù)之間的耦合機(jī)理等問(wèn)題。因此湍流燃燒是工程科學(xué)中最復(fù)雜的領(lǐng)域之一。湍流燃燒的研究已進(jìn)行多年，研究的方法有試驗(yàn)研究，理論分析和數(shù)值模擬等。計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬由于于它的廉價(jià)性和可操作性在國(guó)際上受到越來(lái)越多的重視，得到了廣泛的應(yīng)用。2.湍流燃燒數(shù)值模擬2.1湍流燃燒數(shù)值模擬簡(jiǎn)介湍流燃燒數(shù)值模擬（NumericalSimulationofTurbulentCombustion）是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)為工具，將流體力學(xué)、傳熱學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和數(shù)值計(jì)

5、算方法相結(jié)合所得到的求解化學(xué)流體力學(xué)基木方程的理論和方法。作用是（1）通過(guò)數(shù)值模擬，可以求出各種模型的數(shù)值解，檢驗(yàn)、發(fā)展和優(yōu)化理論模型。（2）深入認(rèn)識(shí)現(xiàn)冇湍流燃燒的特征，進(jìn)一步揭示其共性。（3）為工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論分析依據(jù)其基本思想為分別獨(dú)立描述湍流流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，然后考慮湍流流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)的相互作用。組份方程和能量方程中的源項(xiàng)是化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng).化學(xué)反應(yīng)中組份的生成（消耗）率或能量的釋放速率是反應(yīng)物濃度和反應(yīng)流體溫度的強(qiáng)非線性函數(shù)?由于湍流影響，化學(xué)反應(yīng)屮組份濃度和溫度以及化學(xué)反應(yīng)速率都是隨吋間而脈動(dòng)的，因此在湍流燃燒的數(shù)值模擬中，不僅面臨著湍流流動(dòng)所具有

6、的問(wèn)題以及脈動(dòng)標(biāo)量的輸運(yùn)方程如何處理的問(wèn)題，還而臨著湍流燃燒所特冇的,與脈動(dòng)量呈確定的強(qiáng)非線性函數(shù)關(guān)系的脈動(dòng)標(biāo)量即時(shí)平均化學(xué)反應(yīng)速率的模擬?湍流燃燒模擬最基木的問(wèn)題是反應(yīng)速率的吋均值不等于用時(shí)平均值表達(dá)的反應(yīng)速率。2.2幾種常用湍流燃燒數(shù)值模擬目前湍流燃燒數(shù)值模擬的方法有三類：一是直接解多組分化學(xué)反應(yīng)瞬時(shí)流方程，即直接數(shù)值模擬（DNS）；二是直接求解大渦控制方程，小渦及化學(xué)反應(yīng)速率采用模型模擬，即大渦模擬（LES）；三是求解湍流平均方程，方程中的脈動(dòng)量關(guān)聯(lián)項(xiàng)和化學(xué)反應(yīng)速率采用各種模型模擬。這些模型在模擬精度、合理性和經(jīng)濟(jì)性上各有不同特點(diǎn)，但是如何尋找-?種既合理而又經(jīng)

7、濟(jì)的模型，是尚待解決的問(wèn)題。湍流燃燒的直接數(shù)值模擬（DNS）DNS方法用于湍流燃燒，直接數(shù)值求解非定常（瞬態(tài)）三維Navier—Stokes（N-S)方程，來(lái)確定和描述湍流流動(dòng)過(guò)程。湍流是個(gè)典型的多尺度非線性系統(tǒng)，包含有大大小小不同尺度的渦，從最大的湍流積分長(zhǎng)度尺度/()到最小的Kolmogorov混合尺度厶，尺度范圍跨度非常大。這就要求空間尺度上，要求計(jì)算區(qū)域足夠大，以、包含和分辨最大尺度的湍流渦團(tuán)，同時(shí)、計(jì)算網(wǎng)格尺寸又要足夠小，以模擬湍流；時(shí)間尺度上，時(shí)間必須大于大渦的時(shí)間尺度，同時(shí)計(jì)算步長(zhǎng)又要小于小渦的吋間尺度的最小渦團(tuán)。讓算量是R"的量級(jí)，計(jì)