湍流预混火焰模型(精)
燃烧理论基础-层流预混火焰共130页文档
燃烧理论基础-层流预混火焰
6
、
露
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9
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。
R fu ~ / k
湍流燃烧速率
对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度的公式
t C k 1/ 2 C C D k 2 /
假定 k 1/ 2 正比于混合长度与均流速度梯度绝对值的乘
对于层流火焰，在一定条件下，火焰传播速度与试验装 置无关。
在研究湍流燃烧时，针对湍流火焰，同样期望确定其传 播速度时，不要与装置本身有关，以带有共性，仅与料量比： λ、μ、D等量数有关。 事实证明这是不可能的。
在某些化学当量比下，湍流中有效热扩散系数要比层流 中分子的热扩散系数大 100倍，因此，湍流火焰的理论概念 不象层流火焰那样容易定义。
分析湍流火焰时，不仅要考虑湍流的 输运特性，还必须考虑湍流的脉动特性。 建立湍流燃烧模型中，要把混合过程 的控制作用和湍流脉动的影响有机地统一 起来。 基于此，Spalding提出了k-ε-g模型
几率分布函数
几率分布函数，即：一个用于描述湍流燃烧系 统中的因变量。 对于某个量我们关心的是它取某个值的几率。 无量纲混合分数的几率分布函数定义如下： P(f)df=f(t)处于(f,f+df)范围内的那段时间间隔t的 时间分数，即几率。 式中，P(f)称为瞬态混合分数f的几率分布密度 PDF。
F Sl w0 FL
F ST w0 FT
湍流火焰锥外 表面面积
研究湍流火焰过程中发展起来的方法
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。
第五章fluent预混燃烧模型ppt课件
1、预混模型理论
• 火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个 非常薄的火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应 物燃烧变为产物，火焰层将反应的流场分为已燃 物区和未燃物区，反应的传播等同于火焰前锋的 传播
预混燃烧--Zimont模型
•
反应进程变量c：c
Yp
/
Y
ad p
p
p
Yp：当前产物的质量分数；
Ypad ：完全绝热燃烧后产物的质量分数；
预பைடு நூலகம்模型总结
• 适用条件
湍流 快速化学反应 只有预混合
• 限制条件
不能模拟运动学细节中的实际现象 （如点燃、熄灭和低Da数）。
实例演练四：预混燃烧
混合燃料入口2
混合燃料入口1
烟气出口
湍流长度尺寸常数CD 湍流火焰速度常数A
拉伸系数 湍流施密特数Sct
拉伸系数
• 为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在 反应源项中乘以一个拉伸因子 G，即GSC ：
其中：
• 以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：
A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26， Sct =0.7
温度的计算
• 关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的 影响。
预混模型使用限制
• 必须使用非耦合求解器； （define-models-solver: Pressure based） • 只对湍流、亚音速模型有效； • 不能和污染物模型（如NOx）一起使用； • 不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒
子才能与预混模型一起使用。
的情况。
3、FLUENT相关设置
1、选择预混模型
2、确定绝热或非绝热
（如果有fluent材料库 中的模型，可以首先选 择一种）
湍流预混火焰模型(1)
单变量概率分布函数输运方程
D Dt
P( )
xi
P( )ui
P( )S ( )
P( )
xi
2
(3-76)
S(φ)是变量φ的源或汇
为使方程封闭，必须对有关的项进行模化。
模化方法
概率分布函数和脉动速度的二阶关联项
按照“梯度准则”进行模拟，在物理上表示概率分 布函数的湍流输运
或把式(3-81)写成
Rfu B 2mfumox exp(E / RT )[1 F]
(3-82)
F 概括了湍流脉动对平均化学反应率的影响，是
对燃烧速率进行模化的困难所在。
对燃料和氧化剂质量分数脉动值 的二阶关联项 mfumox 的控制方程
Borghi等人为简化模拟过程，略去温度脉动的影响，提
出了在F中的 mfumox 的控制方程
xi
ui mfumox
1
Dl grad mfu mox 2
2Dl gradmfu 3
gradmox
2t f
gradm fu 4
gradmox 5
graduimfu mox
K f [(mox Smfu )mfumox Smox mfu2 m fu mo2x (mox Smfu )6mfumox ]
评价
在简单的湍流火焰计算中获得与实验基本符合 的结果，仍需改进和完善。
建立双变量（混合分数和反应度）的联合概率 分布函数的输运方程(Pope)
§3.4 平均反应速率的 输运方程模型
湍流流动模型：模拟雷诺应力，建立了雷诺应 力的输运方程模型，在某些情况下获得了优于 应用湍流粘性系数模型得到的结果
(3-83)
燃烧学 4预混合气燃烧及火焰传播
?
? Tf
wQ dT
Tb
? dT
dx
b?
?
2
?
Tf wQdT
Tb
(4-19)
dT dx
b?
?
?uC p ?
?Tb
?
T?
?
(4-16)
? dT
dx
b?
?
2 Tf wQdT
? Tb
(4-19)
? ? ? u ? ? u? ? ? Sl ? const
Sl ? u? ?
? 2? Tf WQdT Tb
? d 2T ? WQ ? 0
dx 2
d dx
? ??
dT dx
? ??
?
?
wQ
?
x?
x?
?? : T ? Tf
0 : T ? Tb
, dT dx
?
0
dT dx
d
? dT ?? dx
? ??
??
wQ
? dT
d
?1 ?? 2
(dT )2 dx
? ??
?
?
wQ
?
dT
? 1 ( dT )2 ? 1 ( dT )2
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳
4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷
? 燃料性质的影响
——导热系数λ，定压比 热容Cp和密度ρ
Sl ?
?
C
2 p
?
2 ?
——燃料化学结构
? 烷烃随含碳量的增加， 火焰传播速度基本不变。
6-湍流预混火焰讲解
湍流火焰的特点
均匀、各向同性的湍流流场，可以用两 个特征量表示湍流特征：湍流强度和湍 流尺度
湍流尺度：
（1）流动特征尺度（与管径、绕流物体尺度有关） （2）积分尺度（湍流宏观尺度，大涡尺度） （3）泰勒微尺度（与平均应变率有关） （4）柯尔莫戈洛夫尺度（最小尺度，与旋涡耗散有关）
湍流火焰的特点
小尺度湍流预混火焰传播速度确定
湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等 于二者传输率之比的平方根
ut un
T n
1/ 2
T n
/ 0cp / 0cp
1/ 2
λt表示湍流热传导系数 λl表示层流热传导系数 根据相似性原理，分子导温系数α= λn/(ρ0cp), 故 湍流导温系数αt= λT/(ρ0cp)。在湍流中湍流导温 系数取决于湍流尺度和脉动速度乘积，即
a）小尺度湍流火焰（2300<Re<6000） 条件： l<δL
现象：能够保持规则的火焰锋面，火焰前 沿仍然平滑，只是增加了厚度，火焰锋面 不发生皱折，湍流火焰面厚度δT> δn
特点：小尺度湍流只是由于湍流增强了物 质的输运特性，从而使热量和活性粒子的 传输增加，使湍流火焰传播速度比层流火 焰传播速度快，而在其它方面没有什么影 响
湍流燃烧模型-PDF
PDF模型概率密度函数PDF方法以随机的观点来对待湍流问题，对解决湍流化学反应流的问题具有很强的优势。
在湍流燃烧中存在一些非输运量( 如反应速率, 密度, 温度及气相体积分数等) 的湍流封闭问题。
尽管这些量没有输运方程, 但它们常常是输运变量的已知函数。
平均或者过滤高度非线性的化学反应源项会引起方程的封闭问题。
因此, 用PDF 的方法来解决这些非输运量的湍流封闭问题显然是一个既简单又直接的途径。
PDF方法是一种较为流行的湍流燃烧模型, 能够较为精确的模拟任何详细的化学动力学过程, 适用于预混、非预混和部分预混的任何燃烧问题。
目前, 确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种, 分别称之为输运方程的PDF和简化的PDF。
前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程, 通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。
后者假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式, 通过确定其中的一些待定参数来获得输运变量脉动的概率分布。
湍流燃烧中, 后者应用最为普遍和广泛。
在简化的PDF 中, 输运变量脉动的概率密度函数常常采用双D 分布、截尾高斯分布和B 函数分布等形式。
PDF在理论上可以精确考虑任意详细的化学反应机理，但是其具体求解时需借助其它的模型和算法，而且计算量相对较大。
PDF的方程是由N-S方程推导而来，其中的化学反应源项是封闭的，但压力脉动梯度项以及分子粘性和分子扩散引起的PDF的分子输运项是不封闭的, 需要引入模型加以封闭。
例如，在速度-标量-湍流频率PDF中，必须采用小尺度混合模型、随机速度模型和湍流频率模型加以封闭。
模化后的输运方程难以用有限容积、有限差分和有限元等方法来求解, 比较可行的一种方法是蒙特卡洛(MonteCarlo)方法, 在该方法中输运方程被转化为拉格朗日( Lagrangian)方程, 流体由大量遵循Lagrang ian方程的随机粒子的系统来描述, 最后对粒子作统计平均得到流场物理量和各阶统计矩。
预混燃烧的燃烧模型
预混燃烧的燃烧模型摘要为了达到抑制污染物排放，实现燃料的清洁燃烧的目的，人们采取了很多办法。
“节能减排”促使燃烧系统采用贫燃燃烧技术，它具有降低NOx、CO等污染物，提高燃烧效率的作用。
但这种燃烧方式的燃烧极限范围很窄，而且火焰稳定性差，容易诱发燃烧系统的不稳定性，如火焰的热声耦合振荡，这种不稳定性会造成更大的污染和浪费。
新型燃烧器的设计必须克服这些缺点，以达到“节能减排”的目的。
首先本文以FLUENT软件为平台，构建了合理的数学物理模型，对甲烷-空气预混燃烧过程进行了数值模拟，实验证明，贫燃料燃烧及贫氧燃烧都可以起到降低污染物排放的目的。
并利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其NO）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧速度场、温度场、以及污染物（X的最佳工况。
其次本文了解不同燃烧模型对流场结构、燃烧结构的影响，与实验结果比较，探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。
本文通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。
通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图，燃烧的污染物NO的云图进行分析研究，得出结论。
关键词预混燃烧数值模拟FLUENT 部分预混燃烧Title Pre-mixing combustion combustion modelAbstractIn order to achieve inhibit pollutants, realize fuel clean burning purpose, people taken a lot of measures. "Energy conservation and emission reduction" prompted combustion system using poor fuel combustion technology, it has to reduce pollutants such as NOx, CO, increase the combustion efficiency role. But this kind of combustion way combustion limit range is very narrow, and flame stability is poor, and likely to cause combustion system instability, such as flame of thermoacoustic oscillation, the coupling instability will cause more pollution and waste. New burner's design must overcome these shortcomings, to achieve "the purpose of energy saving and emission reduction".Firstly this paper with FLUENT software for the platform, and constructs the reasonable mathematical physics model of methane - air pre-mixing combustion process was simulated, the experiment proof, the poor fuel combustion and poor oxygen burning can reducing pollutant purpose. And using the method of numerical simulation of combustion model for different under the condition of pre-mixing combustion characteristics of methane areanalyzed, observe its velocity field and temperature field, and the distribution of pollutants (), found the relevant law pre-mixing combustion, seeking the best condition burning. Then this paper to understand different combustion model convection field structure, the influence of combustion structure, compared with the experimental results, this paper discusses how to improve the design accuracy numerical simulation, and at the same time, improve the stability pre-mixed flame out rules and explore the inhibiting combustion instability strategy.This article through numerical calculation, obtained in different combustion model columnar combustion chamber under the numerical simulation results of methane combustion, analysis, we found that the different combustion model for the influence of methane combustion characteristic of different also. Through the burning rate distribution, the flame temperature distribution of convective, the combustion pollutants analysis of NO cloud, draws the conclusion.Keywords：Pre-mixing combustion Numerical simulation FLUENT Part pre-mixing combustion绪论课题的研究背景及意义燃烧室作为燃气轮机中最重要的部件，是利用燃料的燃烧，提高进入涡轮的气流温度的装置。
3.2火焰面模型
1
2
3
混合物分数及组分、能量方程
Z Z Z u1 ( D ) t x1 x1 x1
（3-87） （3-88） （3-89）
Y Y Y u1 ( D ) W t x1 x1 x1
T T T C p u1C p ( ) h W t x1 x1 x1 1
G u G S L | G | t
对皱褶的层流火焰面和波纹板式的燃烧机制
G 0 u G S L | G | DL K | G | LS | G | t
0 L
其中 S 是不受拉伸的平面火焰的传播速度，K是火焰面的 曲率，S是流场应变率，L和层流火焰面厚度成正比，且 数量级相同，D 是一个扩散系数。
（3-101） （3-102）
Z 2 Z 2 Z Z 2 2 u ( Z 2u 2 D( ) j ) 2 Z u j t x j x j x j x j
梯度输运模型
Z u j Dt Z x j ， Z 2u j Dt Z 2 x j
（3-91） （3-92）
标量的瞬时耗散率
Pitsch等提出
2 D(
Z 2 ) x1
（3-93）
（3-94）
st f (Z )
Z 2 ln Z ， f (Z ) 2 Z st ln Z st
在湍流燃烧中，标量耗散率的平均值
Z Z st
P( )d f ( Z ) P( Z )dZ
f (G; xi , t ) ，
G( xi , t )
G2 ( xi , t )
第八章 预混湍流火焰
图 8.4 用 Rayleigh（瑞利）散射方法测得的瞬时气体密度
上述数据表明，湍流预混火焰传播可以描述为在湍流流动中传播的薄的层流预混火焰。 湍流流动使火焰发生了扭曲，扭曲的程度则取决于当地的湍流程度。这一观察表明，除了
火焰厚度 δ f 以外，还存在另一与湍流速度脉动有关的长度尺度和速度尺度。 湍流预混火焰速度可以用流经火焰的可燃预混气的体积流量 Q& 与湍流火焰的表观面积
142
长度缩短，并且在直接长时间曝光照片中，可见到火焰区域扩大了，出现了皱褶；在火花 纹影照片中，我们可以看到火焰前沿出现了不规则的皱褶。图 8.2 是一系列湍流火焰边界纹 影照片的叠加。
观察到的利用钝体或值班火焰稳定的预混火焰具有相似的结构特点。 另一种方法是在未燃混气中加入小粒子利用米氏散射来显示预混湍流火焰结构。在这 种方法中，用激光片来照射流动区域，火焰前锋位于亮和暗的分界线上，亮的地方是激光 片被粒子散射的结果，而暗的地方则是由于燃烧放热，气体膨胀，从而使粒子的密度减小， 减少了对激光的散射所致。图 8.3 是在活塞发动机中、不同的活塞运动速度下，用该法拍摄 的一些预混湍流火焰传播的图象。我们再次看到，火焰前锋出现了褶皱，并且褶皱的程度 与活塞运动的速度有关。
于 100％（在高的剪切、低的均速流中）。
145
湍流强度在描述湍流流动特性时有用，但是它没有反映湍流流动中参数的脉动尺度或 频率。湍流流动通常有一个宽广的脉动频率（或者波长，振幅）范围，包括从高频（小尺 度）的能量耗散涡流微团到低频（大尺度）的涡流微团，这些低频微团宏观输运着质量、 动量和能量。通常，用单一的尺度是无法全面描述湍流流动的所有特征的，对尺度参数的 选择取决于我们感兴趣的那种湍流现象。在湍流燃烧中，影响湍流火焰传播的因素很多， 我们可以考虑定义湍流的尺度的几种方法。
6-湍流预混火焰讲解
大尺度弱湍流传播速度确定——小 火焰模型（表面理论）
设薄层焰锋的传播速度仍然是un，那么单位时间内焰锋锋 面烧掉的混合气是Acun，它应与湍流火焰传播速度ut和湍 流焰锋的平均面积Ap的乘积相等，即：
Acun=Aput 或 ut=Acun/Ap 因为Ac>Ap,故ut>un, 若把湍流气团设想成凹凸不平的很多 小的焰锋，则ut>un, 等于这些小的椎体表面积和底面积之 比。 ——小火焰模型，亦称湍流火焰传播的表面理论
燃烧学
6-湍流预混火焰
湍流预混火焰传播 湍流预混火焰传播图域 湍流预混火焰传播速度确定 湍流火焰传播速度影响因素
第一节 湍流预混火焰传播
研究湍流火焰的目的
（1）工程中的燃烧装置多为湍流燃烧 （2）确定湍流特性对火焰传播的影响 雷诺数Re=ρvL/μ 直管段中： Re<2300时，层流； Re>3200时，湍流 此时火焰为湍流火焰
（5）混气浓度 化学恰当比或偏富时速度最大
St
m
Au
湍流预混火焰传播速度要比层流预混火焰传 播速度快
湍流火焰比层流火焰传播快的原因
（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了 反应区； （2）湍流加速了热量和活性中间产物的传输，使反应速率 增加，即燃烧速率增加； （3）湍流加快了新鲜混合气和燃气之间的混合，缩短了混 合时间，提高了燃烧速度。 湍流火焰理论基于上述概念发展起来的。 湍流火焰传播理论主要有两种： （1）表面褶皱理论（邓克尔和谢尔金） （2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）
第二节 湍流预混火焰传播图域
湍流预混火焰的性质既依赖于预混层流火焰的特性（如SL和
3.1快速反应模型
其中
Pn (1) nk
k 1 n
TA k (n 1)! ( ~) (n k )![(k 1)!]2 k T
（3-10） （3-11）
Qn
b(b 1) (b n 1) n!
则平均化学反应速率为
WF A 2T bYF Yo exp(
* * (1 )
*
*
（3-49）
（3-50）
容积比率
C 2 , C 2.1377 k
*
3/ 4
流体在反应区中的滞留时间
* C , C 0.4082
1/ 2
（3-51）
控制方程的入口条件为给定 Y 和 T ，它们是周围流体区的 组分质量分数和温度，经过 时间后的组分质量分数记为 Y ，则组分 的生成速率为
（3-46） （3-47）
k f .s AsT b s exp( E s ) RT
， kb . s
k f ,s Ks
其中 K s 是平衡常数。
同时计算（3-45）和（3-46），取其中的较小值。
* 涡耗散概念模型（EDC模型） 雷诺数较大的情况下，假定反应发生在不连续的湍流 动能耗散区，即小尺度（良好尺度）的湍流结构中， 在这个尺度中发生的燃烧过程将所有湍流动能耗散成 热，其控制容积如下图
u F u F
（3-21） （3-22）
W
WF
(YFb YFu )
或
W
WF Q
C p (Tb Tu )
反应进度平均量的方程
C ( C) ( Cu j ) ( D Cu j ) W t x j x j x j
第五章 湍流燃烧模型
grad mox
gradvj mfu mox
K
f
(mox
Sm fu
)mfu mox
Smox mf2u
m fu
mo2x
(mo x
Smfu
)mfu
mo x
式中D1表层流交换系数；S表示化学当量比；
（131）
K f B exp(E / RT )
方程（131）中第三、五、六项需进行模化，才能使其封闭。 其方法如下：
与能量的湍流扩散和颗粒的经历效应 Euler坐标系中处理气相；Lagrange坐标系中描述颗粒相 有反应颗粒相的连续介质 -- 轨道模型和考虑颗粒经历效应的多
流体模型
连续介质―轨道模型的基本方法
用多流体模型求解Euler坐标系中颗粒相的连续与动量方程， 求出颗粒速度与浓度分布，同时沿着Euler坐标系中计算得到的 轨道或流线追踪因反应和传热引起的颗粒质量和温度的变化， 使用常微分方程和代数式
一般地，组分分布需要通过求解两个以平均化学反应率为源项 和耦合的二阶非线性偏微分方程
在简单化学反应系统的假设下，通过引入如下定义的质量分
数 f 简化
f m fu mox / S
（107）
式中（m fu 及 mox 分别为燃料及氧化剂的质量分数的时均值）
就可以将确定组分质量分布转变为只需求解一个有源方程和一
如果 f 0 ，则 m fu mox 0 。
时均值 f 及其脉动均方值 g f 2 的输送方程形式分别为
(f )
t
xj
(
vj
f
)
xj
( f
f )
xj
（109）
t
(g)
xj
( vjg)
第五章1,燃烧模型
预热区 O(1) CH4
氧化层 O(ε)
T
T0
103
sL
内层 O(δ ) O2 CO
涡旋尺度小于火焰内层尺度
破碎反应区
Ka 1
H2
x / lF
10 2
l
/ sL
10
Re 1
涡旋尺度小于火焰尺度
薄反应区
F 涡旋尺度大小于火焰尺度
l
Ka 1
1
波纹板式火焰
涡旋速度与火焰传播速度比较
皱褶层流火焰面燃烧机制
AT
m
A
sL
sT
m
在横截面积为A的湍流火焰中，瞬时层流火焰面的形状 是不断变化的。根据质量守衡，通过该湍流火焰面AL 的流量和某一时刻通过瞬时皱褶层流面面积的流量是 相等的 m u SL AL u ST A
湍流火焰传播速度（皱褶）
• 湍流火焰传播速度ST和层流火焰传播速度SL之 ST AL 比为
L
湍流火焰传播速度（皱褶）
在薄反应区燃烧机制中，湍流涡旋深入 预混区内部，使扩散速度增加。我们用 湍流扩散系数 t u0l 代替层流扩散系 数 D ，即得湍流预混火焰的传播速度
( D W )1 2
SL (DW )1 2
u0 l 1 2 ST ( ) SL S L
0
尺度涡旋不能进 入火焰的内层。
10 4
层流火焰
0.1
皱褶层流火焰
10 10 2 103
0.1
1
l / lF
波纹板式火焰面燃烧机制和薄 反应区机制之间的关系
在大Re数条件下，小尺度湍流是间歇性的，耗 散率满足一定的统计分布。 在对湍流的Kolmogorov理论进行修正时，提出 了间歇性或流场中湍流的作用是不规则的这样 一些概念。反映到燃烧问题中，大Re数条件下， 湍流火焰可以有被小尺度涡旋产生的很强的局 部混合区（如在薄反应区机制中），也可以有 光滑的火焰面区。这时就产生了波纹板式的火 焰面燃烧机制。 上述讨论的两种机制可以在一个湍流火焰中同 时存在。
湍流燃烧火焰面模式理论及应用
精彩摘录
精彩摘录
在燃烧科学领域，一本引人注目的著作是《湍流燃烧火焰面模式理论及应 用》。这本书以其独特的视角和深入的研究，为读者揭示了湍流燃烧的奥秘，展 示了这一复杂现象背后的科学原理和应用前景。以下是一些精彩摘录，展示了这 本书的核心内容和观点。
精彩摘录
“湍流燃烧是燃烧科学中最具挑战性的问题之一。”这句话开宗明义，点明 了湍流燃烧在燃烧科学中的地位。作者指出，湍流燃烧的复杂性和难以捉摸的特 性使得其成为研究的热点和难点。然而，通过科学的方法和深入的研究，我们可 以逐步揭开这个神秘面纱，将其转化为实际应用中的优势。
目录分析
本章主要介绍了部分预混湍流火焰面模型。首先对部分预混燃烧的基本概念 和特性进行了阐述，然后详细介绍了该模型的建立和应用。通过与前两章的模型 进行对比，突出了部分预混湍流火焰面模型的特点和优势。
目录分析
本章作为全书的结尾，对超声速燃烧的火焰面模式进行了深入的探讨。首先 介绍了超声速燃烧的基本概念和特性，然后详细介绍了超声速燃烧火焰面模式的 建模和应用。这一章将全书的内容提升到了一个新的高度，为读者提供了更加全 面的视角。
阅读感受
在介绍这些理论或模型时，作者不仅提供了详细的数学和物理推导，还附带 了大量的图表和验证算例。这些内容不仅使读者更好地理解这些理论或模型，而 且还能帮助读者学会如何将这些理论或模型应用到实际问题中。
阅读感受
在阅读这本书的过程中，我深深被作者的专业知识和深入研究所折服。他们 不仅对湍流燃烧的物理机制有深入的理解，而且还能从应用的角度出发，将这些 理论或模型与实际问题起来。这使我更加深入地理解了湍流燃烧的复杂性，以及 如何通过科学的方法来解决这一领域的难题。
阅读感受
书中首先回顾了湍流燃烧及其数值模拟的概述，这为读者提供了一个很好的 背景知识。随后，作者详细地介绍了湍流预混火焰面模型、湍流扩散火焰面模型、 部分预混湍流火焰面模型以及超声速湍流燃烧火焰面模型等核心理论或模型。这 些理论或模型不仅反映了当前的最新研究成果，而且为解决实际问题提供了有效 的工具。
不同湍流预混燃烧模型在本生灯火焰中的比较
不同湍流预混燃烧模型在本生灯火焰中的比较摘要: 本文将比较不同湍流预混燃烧模型（Laminar-Jet, Eddy-Dissipation, and Probability Density Function）在本生灯火焰中的效果。
我们采用数值方法进行模拟，通过对点、平均和标准偏差的分布情况，及其轴向和径向结构的比较，总结出LJ模型可大幅改善于BD模型下火焰的特性，PD模型也大幅增强火焰的稳定性，ED模型能部分改善火焰结构，以提升火焰的均匀性和鲁棒性。
关键词: 湍流预混燃烧模型、Laminar-Jet、Eddy-Dissipation、Probability Density Function、火焰特性正文: 近些年来，高效能燃烧保持在大量工程应用中的地位，可以说是一个基础技术，其中可以说，本生灯火焰正居首位。
因此，本文将介绍不同湍流预混燃烧模型（Laminar-Jet, Eddy-Dissipation, and Probability Density Function）对本生灯火焰的影响。
我们会首先介绍每个模型的特性，然后采用数值计算的方法进行模拟，结合点、平均和标准偏差的分布情况，及其轴向和径向结构，以此来比较不同模型在本生灯火焰中的效果。
最后，我们总结出LJ模型可大幅改善于BD模型下火焰的特性，PD模型也大幅增强火焰的稳定性，ED模型能部分改善火焰结构，以提升火焰的均匀性和鲁棒性。
本生灯火焰可以用于许多场景，特别是工业和航空领域的燃烧器。
比如，燃气发动机的燃烧室会需要高效燃烧，而高效燃烧又使用了本生灯火焰。
此外，本生灯火焰也可以应用在涡轮喷气发动机中。
其中，涡轮喷气发动机必须运行在非常高的压力环境下，所以本生灯火焰可以非常高效地提供能量，从而满足发动机运行所必需的条件。
此外，本生灯火焰也可以应用于原子力发电厂中作为核反应堆的水化反应器中。
这就是湍流预混燃烧模型在本生灯火焰中的一般应用情况。
该模型通过精确控制空气和燃料混合情况，从而获得更高的燃烧效率，以减少烟雾的排放量。
第三讲湍流燃烧模拟
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:
R j R jk
k
Rjk (rate of production/consumption of species j in reaction k) is computed to be the smaller of the Arrhenius rate and the mixing
or “eddy breakup” rate. Mixing rate related to eddy lifetime, k /. Physical meaning is that reaction is limited by the rate at which turbulence can mix species (nonpremixed) and heat (premixed).
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的公式
t C k1/ 2 CCD k 2 /
2) 假定 k1/2正比于混合长度与均流速度梯度绝对
值的乘积
则ε/k正比于均流速度梯度的绝对值 3) 燃烧速率一定与燃料浓度有关 二维边界层问题湍流燃烧速率
R fu,T
cEBU mfu
u y
(3-42)
2 湍流燃烧速率-1
g 0.7, cg1 2.8, cg2 1.79
4 温度修正的湍流燃烧速率
上述模型中没有考虑温度对燃烧速率的影响
均流速度梯度较大，但可燃气温度不高，无剧 烈化学反应发生区域，式(3-42)不可能给出合 理的燃烧速率
以平均参数表示的Arrhenius类型的燃烧速率
Rfu,A BP2mfumox exp(E / RT )
1 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
Rfu ~ / k
(3-41)
2 湍流燃烧速率-1
1) 对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度
§3.2 湍流预混火焰模型
预混火焰 / 层流火焰传播速度
燃料和氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合 的火焰称为预混火焰
层流火焰传播速度SL是可燃气的物理化学性质， 与流动参数无关
低雷诺数湍流
低雷诺数湍流中，火焰出现皱折和抖动，在高 速摄影中仍可发现火焰面基本连续
湍流火焰传播速度ST ST > SL ST与流动状态有关
Rfu Bmfumox P2 exp(E / RT )
(3-38)
假定压力脉动可暂不考虑，一般情况下由于浓 度脉动和温度脉动的相关性
Rfu Bmfumox P2 exp(E / RT )
如何模拟 Rfu 呢？
(3-39)
模拟 Rfu
对式(3-38)中的浓度和温度进行雷诺分解，对 整个式子进行雷诺平均，对产生的脉动值二阶 关联项逐项模拟求得方程的封闭。
借助于k和ε
Rfu,T cR g1fu/ 2 / k
(3-43)
CEBU和CR是常数，CEBU = 0.35 ~ 0.4，CR ≈ 6
gfu是燃料质量分数的脉动均方根
g fu mfu2
(3-44)
(3-43)不仅适用于二维边界层问题，而且适用于 其它二维和三维湍流预混燃烧速率的计算
在研究区域内，均流的类型可以近似地考虑成 具有如下的特征
稳定的湍流平面流动 压力仅在主流方向上变化 主流方向上的扩散、导热和粘性作用相比可忽略不
计 辐射换热可以不计 SCRS假设有效
控制均流的微分方程组 - 1
连续性方程
(ur) (vr) 0
x
y
Stretch-Cut-And-Slide Model (SCASM)
1) 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。
轴向动量方程
(ur u)
滞x止焓方程 y
(vr
u)
y
r
e
u y
rga (
)
x
(ur
h)
y
(vr
h)
y
rh
h y
y
(e
h
)r
(1 u2) 2 y
涉及的需要模化的量很多，在研究湍流燃烧模型的 初期开展这种模化十分困难
设法找到影响 Rfu的主要因素，提出 Rfu 的简化 表达式，求得方程的封闭，而后通过计算和实 验的对比改进模型，发展模型。
比较成功 EBU模型和SCASM模型
以通道内钝体后方预混气体燃 烧的湍流流动的模拟为算例
2
m fu z
2
(3-45) (3-46)
建立gfu的输运方程 二维边界层问题
Dg fu Dt
y
g
g fu y
cg1
e
m fu y
2
cg2 g fu / k
(3-47)
g e / g； g、cg1和cg12 为常数，其值通常取为
(对于二维边界层类型的燃烧问题，计算表明，用式(3-42)比用式 (3-42)得到的结果更与实验吻合 )
3 燃料质量分数的脉动均方根
gfu的求法(两种) 用 m fu或其梯度来表示
g fu cm2fu
或
g fu
l2
m fu x
2
m fu y
控制均流的微分方程组 - 2
组分方程
x
(umj )
y
( vm j
)
y
j
m j y
Rj
湍流脉动动能方程
湍流耗散率方程
(3-40) (3-2) (3-3)
3.2.1 旋涡破碎模型
旋涡破碎模型(EBU)
Eddy-Break-up (EBU)
功绩在于正确地突出了流动因素对燃烧速率的 控制作用，给出了简单的计算公式，为湍流燃 烧过程的数学模拟开辟了道路。
不足：该模型未能考虑分子输运和化学动力学 因素的作用
适用范围：一股说来，EBU模型只适用于高雷 诺数的湍流预混燃烧过程。
3.2.2 拉切滑模型
1 湍流燃烧模型
在EBU模型基础上，为了体现分子扩散和化学动 力学因素的作用
高雷诺数湍流燃烧
不再存在单一连续的火焰面，整个燃烧区由许 多程度不同的已燃和未燃气团组成-----“容积燃 烧”
影响燃烧速率的因素
流动状态 分子输运过程和化学动力学因素
湍流燃烧速率
平均化学反应速率
使均流方程组封闭的关健
简单化学反应系统，瞬时反应率遵守双分子碰 撞模型的Arrhenius公式
比较(3-4A 和 Rfu,T ]
(3-49)
5 平面管道内火焰稳定器后面的燃烧场
Spalding et al 结果优于只用
阿伦纽斯类型 的公式(3-48)得 到的结果，与 实验数据的趋 势符合
6 对旋涡破碎模型的评价