第三讲--与湍流燃烧模拟 .ppt

第一部分 湍流燃烧认识 湍流燃烧的认识 　 ? 组份方程和能量方程中的源项是化学反应源项； ? 化学反应中组份的生成(消耗)率或能量的释放速率是反应物浓度和反应流体温度的强非线性函数； ? 由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温度以及化学反应速率都是随时间而脉动的，因此在湍流燃烧的数值模拟中，不仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈确定的强非线性函数关系的脉动标量即时平均化学反应速率的模拟。 ? 湍流燃烧模拟最基本的问题是反应速率的时均值不等于用时平均值表达的反应速率. 火焰传播速度 湍流火焰研究方法 一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。 另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率分布函数输运方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。 分布函数P(f)的概念 Rosin-Rammler分布 第二部分 湍流燃烧模型 湍流燃烧唯象模型 旋涡破碎模型（eddy-break-up model) 拉切滑模型 (stretch-cut-and-slide model) 几率密度函数的输运方程模型 --- Spalding的ESCIMO湍流燃烧理论 旋涡破碎模型(EBU) Eddy-Break-up (EBU) 基本思想 在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学反应在这两种气团的交界面上发生，认为平均化学反应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比。 拉切滑模型 (stretch-cut-and-slide model) 基本思想(Spalding, 1976 ) 把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃气团；气团在湍流的作用下受到拉伸和切割，重新组合，不均匀性尺度下降；在未燃气和已燃气界面上存在着连续的火焰面，它以层流火焰传播速度向末燃部分传播。 气团尺度的变化过程 考虑一个单位厚度的流体块，设其中每层流体块的平均厚度为δ，则该流体块中一共有1/δ层流体。在湍流作用下各层流体的厚度不断减小，流体块内的流体层数不断增加。 ESCIMO理论 E，engulfment：卷吞，描述在大尺度湍流作用下，一种流体被另一种流体卷吞的过程。 S，stretching：拉伸，描述迭在一起的流体层长度增加、厚度减小的过程。 C，coherence：粘附，描述流体层不愿分离的一种趋势，认为两层流体一旦由于卷吞碰到一起，那么在传输、拉伸和化学反应的过程中都不会分开，它们互相粘附在一起。 I，interdiffusion和化学上的interaction：相互扩散和化学反应，描述在流体层受拉伸的过程中，发生在流体层内部及其交界面上的扩散和化学反应。 MO，moving observer：运动观察者，意味着为了描述相互扩散和化学反应，把坐标系取在流体层上，与流体一起运动。 ?以上模型是从唯象的角度(如拟序结构、流场结构及涡的输运和破碎)来考察湍流燃烧过程。 但从研究湍流燃烧的角度看，更为合理的是基于流体力学的角度。 湍流燃烧气相模型 Generalized Finite-Rate Model(通用有限速率模型) Non-Premixed Combustion Model（非预混燃烧模型） Premixed Combustion Model（预混燃烧模型） Partially Premixed Combustion Model(部分预混燃烧模型) Composition PDF Transport Combustion Model（组分概率密度输运燃烧模型） 有限速率模型 Chemical reaction process described using global mechanism. Transport equations for species are solved. These equations predict local time-averaged mass fraction, mj , of each species. Source term (production or consumption) for species j is net reaction rate over all k reactions in mechanism: Rjk (rate of production/consumption of species j in reaction k) is computed to be the small