2.3湍流与燃烧的相互作用解析
加力燃烧室湍流两相流动与燃烧的数值模拟的开题报告
加力燃烧室湍流两相流动与燃烧的数值模拟的开题报告1. 研究背景和意义随着发动机性能的不断发展和提高，越来越多的发动机需要使用高压燃烧技术，其中加力燃烧室是一种常见的应用。
在加力燃烧室中，高温高压气体加速进入燃烧室，与燃料相混合后进行燃烧反应。
加力燃烧室的工作过程受到许多因素的影响，如两相流动的湍流流动和燃烧。
因此，研究加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程，对于提高发动机的工作效率和性能具有重要意义。
2. 研究现状目前，对于加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程的研究主要是通过计算流体力学（CFD）数值模拟来实现的。
在湍流流动方面，常用的模拟方法包括Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS）模型、无网格方法以及直接数值模拟（DNS）。
在燃烧方面，主要研究化学反应机理和燃烧模型。
然而，由于加力燃烧室的复杂性和计算量的限制，目前的数值模拟方法还存在一些局限，如预测不准确和计算时间长等问题。
3. 研究内容和方法本文将采用CFD数值模拟方法，对加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程进行研究。
具体研究内容包括：（1）探究加力燃烧室中两相流动的特征和运动状态，建立相应的数学模型。
（2）应用RANS模型和无网格方法，分析加力燃烧室中的湍流流动特性，并分析其对燃烧过程的影响。
（3）采用化学反应机理和燃烧模型，模拟燃烧反应的过程，分析燃烧产物的形成及其在燃烧室中的分布和作用过程。
（4）通过模拟结果和实验数据的对比，验证所建立的数学模型的准确性和可靠性。
4. 预期成果和创新点本文的预期成果包括：（1）建立加力燃烧室湍流两相流动和燃烧的数学模型，并对其进行数值模拟计算。
（2）深入理解加力燃烧室的流动和燃烧特性，揭示其内在机理。
（3）验证所建立的数学模型的准确性和可靠性，并提出改进意见。
本文的创新点在于：（1）针对加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程进行了全面系统的研究和探讨，为加力燃烧室的设计和优化提供了理论支持。
（2）采用多种数值模拟方法和化学反应机理，对加力燃烧室的流动和燃烧过程进行了深入分析和研究，为燃烧理论的应用和发展提供了新思路。
湍流参数对燃烧循环变动影响的模拟分析
将 整 个燃烧 室 分成 未燃 气 体 区和燃 烧 产 物 区 ， 者处 于热 力 平衡 状 态 。 质 量燃 烧 率 定 义 为紊 流火 焰 速 两 度 与火 焰前 锋 面积 及未 燃 区密 度 的乘 积 。这样 一来 ， 质量 燃 烧 率 的 计算 中直 接 反 映 了紊 流对 燃 烧 过 在
影 响 ， 由于燃 烧 过程 中汽缸 内湍 流 参数 测量 的 困难 ， 难通 过试 验 定 量地 描述 湍 流 参数 的 变 动对 燃烧 但 很
循 环变 动 的影 响 。
本文建 立 的汽 油 机准 维卷 吸燃 烧 模 型 ， 基 于 燃 烧 以球 面 波 的形 式 传 播 的假 定 ｌ ， 是 ３ 由火 焰 前锋 面 ］
维普资讯
２ ４
长 沙 交 通 学 院 学 报
第 １ ８卷
气 ， 封 闭系统 有 质量 和 体积 方程 ： 对
／ ７ ／＝ ／ ＋ ／６＝ 常数 ７ ／ ７ ／
通 过 上述 方 程联 立求解 ， 即可得缸 内压力 变 化率 ：
已燃 区温 度变 化 率 ：
［ （ｂ ． 一 （ Ｒ －Ｔ 鲁 ｂ Ｒ， Ｔ
２ 准 维 卷 吸燃 烧 模 型
２ １ 模型 的物 理 基础 ．
） ＋
（） ５
有紊 流 的燃 烧过 程如 图 ２所 示 。 当火 花 塞 跳 火 、 火延 迟 期 结 束 着 后， 火焰 即开 始 向未 燃 区扩 展 ， 形 成 一 反 应 区 ， 反 应 区前 锋 面 积 假 并 该 设 为球 面 ， 面积 为 Ａ，被卷 入 火焰 前锋 面的未 燃 气质 量 流量 为 ： 表 ，
Ｖ ＝ Ｖ 十
１卺 ［ｏｇ ＋ ＋ｃ～ｏ ） ｕ
Ｒｂ ｃ
＋ Ｒ
燃烧学burning-6湍流燃烧简介
∫
w s dT
（ ∂T )1 ∂y
=
Tm − T∞ b
=
Tm − T∞ c1x
λ T = ρ m c p ν T = ρ m c p u ′l = ρ m c p l 2
( Tm − T∞ ) 2
2 c1 x 2
u m −u ∞ b
= c 2ρ m c p xu ∞
湍流燃烧简介-(2)湍流射流扩散火焰 湍流燃烧简介-(2)湍流射流扩散火焰
基本方程
∂ ( ρ ur ) + ∂ ( ρ vr ) = 0 ∂x ∂r ρ u ∂u + ρ v ∂u = 1 ∂ ( rν T ρ ∂u ) ∂x ∂r r ∂r ∂r ∂Ys ∂Ys ∂Ys ρu + ρv = 1 ∂ ( rD T ρ )− ws ∂x ∂r r ∂r ∂r ρ uc p ∂ T + ρ vc p ∂ T = 1 ∂ ( r λ T ∂ T ) + w s Q s ∂x ∂r ∂r r ∂r ν T = D T = λ T /( c p ρ ) = cx 2 ∂ u ∂r
火焰面处 火焰温度
c p ( Tf − T2 ) − Yox ∞ Q ox Yox ∞ θf = = Yox ∞ + β − Yox ∞ Q ox Yox ∞ Q ox Tf = T2 + c p (1+ Yox ∞ / β )
湍流射流扩散火焰( 湍流射流扩散火焰(续2)
不用求解方程, 由一般分析可以证明湍流扩散火焰长度只和 管口半径及环境氧浓度有关, 和速度以及其它因素无关 火焰长度正比于管口半径 火焰长度大致和环境氧浓度成反比
Yox∞ + β + 4) Yox∞
湍流燃烧火焰面模式理论及应用(孙明波,白雪松,王振国著)PPT模板
0 5
2.5湍流预混 燃烧算例验证
0 6
2.6带自点火 特性的预混火 焰传播模型
第2章湍流预混燃 烧
参考文献
第2章湍流预混燃烧
2.1层流预混火焰
2.1.1层流 预混火焰结 构
2.1.2层流 预混火焰温 度
第2章湍流预混燃烧
2.2湍流预混火焰
0 1 2.2.1湍流预混火焰的基本性质
02
2.2.2湍流脉动与火焰的相互作 用
第1章湍流燃烧及其数值模拟概述
1.1湍流燃烧基本特性
1.1.1湍流 的基本特 性
1.1.2湍流 燃烧的特 点
第1章湍流燃烧及 其数值模拟概述
1.2化学反应流的数学描 述
1
1.2.1化学反应流控制方程
2
1.2.2化学反应机理及反应速率
第1章湍流燃烧及 其数值模拟概述
1.3湍流燃烧模拟的一般方 法
2.4.4G方程 和C方程比较
第2章湍流预混燃烧
2.5湍流预混燃烧算例验证
1
2.5.1均匀各向同性湍流中的火 焰核增长
2
2.5.2三角棱柱火焰稳定器的燃 烧模拟
3
2.5.3低旋流燃烧器的火焰稳定
4
2.5.4本生灯的火焰形状
第2章湍流预混燃烧
2.6带自点火特性的预混火焰传播模型
2.6.1预混 火焰自点火 耦合模型
n解和化学 平衡解
04
03
3.2.4火焰面结构的 渐近解
3.2.3详细化学反应 机理对层流扩散火 焰的影响
第3章扩散燃烧
3.3湍流扩散燃烧火焰面模型
01 3 .3 .1 扩散火焰 面模 02 3 .3 .2 火焰面模 型方
型合理性验证
第六讲 预混可燃气的湍流燃烧 PPT课件
§6.1 湍流燃烧及其特点
实际各种燃烧装置中的燃烧过程往往都是湍流燃烧过程。
所谓湍流的确切定义尚难明确，但与层流的平滑分布和有 秩序流动相比较，可认为它具有：
(1) 不规则性 只能用统计方法 (2) 扩散性 传递速度加快 (3) 具有明显的旋涡脉动 （尺寸大小：含能大、小， 脉动具有耗散性） (4) 是一种流动（是流体受约束转弱的自收运动状态 ）
l
大尺度湍流火焰
l
强湍流火焰 湍流的脉动速度远大于层流火焰传播速度，此 时有：
u' SL
弱湍流火焰 湍流的脉动速度小于层流火焰传播速度，此时有
u' SL
湍流火焰稳定燃烧的条件： 一维湍流能量方程：
CP ST
dT dx
d dx
[(
T
)
dT dx
]
sQs
为便于分析，取无量纲后：
§6.2 湍流燃烧火焰传播速度
湍流燃烧火焰传播速度:
湍流火焰前沿法向相对于新解可燃气运动的速 度
ST=u COSθ
测定ST的常用方法有二种。 (1) 定常开口火焰，本生灯法
(2) 定常封闭火焰
对于定常开口火焰，ST的大小测定
V
(1) 测得U及θ
F
(2) 流入可燃预混气流量除以湍流火焰表面积
如何确定F是很困难的。
层流火焰与湍流火焰的特点比较
当Re < 2300 层燃火焰 a) 前沿厚度0.01~0.1mm高度； b)火焰前沿光滑基本成正圆锥形； c) 20~200cm/s
当Re>2300时，湍流火焰（渐变过程） a) 火焰高度很小。说明 ST>>Sl b) 火焰前沿出现脉动和弯曲 c) 收光区模糊 d) 有明显的噪音 e) 有较宽的反应区域
《燃烧学》课件
焰 折火焰表面理论 ”。
传 播
容积燃烧理论：萨默菲尔德和谢京科夫建立。将
理 湍流火焰的前沿看成燃烧反应区。又称为“微扩
பைடு நூலகம்
论 散理论”。
湍流火焰现象分类
湍流火焰
小尺度湍流火焰 （ l l ）
大尺度湍流火焰 （ l l ）
大尺度弱湍流火焰 （ u Sl ）
大尺度强湍流火焰 （ u Sl ）
小尺度湍流火焰
即:
St
Sl
Ft Fl
只要求出
Ft Fl
即可求出
St
谢尔金 : 假设湍流火焰表面是由无 数锥形组成。
St Sl
4d Ft 2
Fl
h2d2 2
l2
1 h 2 d/2
d l
hutul/Sl
h /r 2 u l/S l/l2 u /S l2
故： St Sl 1ku/Sl2
火焰前沿面积的计算：用锥体面积表示有一定的误差，最近开始应用分 形几何学的方法 。
示，也称为层流燃烧速度 ( laminar burning
velocity) ，用Sl表示。
——大小取决于反应速度、热量和活性中心的传
递速度。
数学表达式
Bussen 燃烧 嘴火焰
Un Ucos Sl Ucos
U—未燃混合气局部流速
静止坐标下的预混合气火焰传播速度分析
us——混合气流速 up——火焰面的移动速度 u0——火焰面相对未燃混合气的移动速度
基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
u u S l c o n st （4-11）
uCpddT xddxddT xWQ （4-12）
uddC xi ddxDddC xi W
湍流燃烧及其数值模拟
湍流燃烧及其数值模拟研究1. 湍流燃烧1.1湍流燃烧基本概念当流动雷诺数数较小时，由于流体粘性的作用，流体呈层流流态。
当流动的特征雷诺数超过相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。
湍流燃烧是指湍流流动中可燃气的燃烧，在能源、动力、航空和航天等工程领域,经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程。
湍流燃烧实质是湍流，化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。
湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。
小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加，从而使化学反应速率增加。
但气流脉动不会火焰面产生皱褶，只能把火焰变成波纹状。
大尺度湍流对火焰内部结构没有影响，但使火焰阵面出现皱褶，增加其燃烧面积，造成火焰表现传播速度增加。
当湍流强度及湍流尺度均较大时，火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。
燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀，影响气体的密度和运动速度，从而影响当地的涡旋，湍流强度和湍流结构。
1.2湍流燃烧分类湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为：湍流非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。
在湍流非预混燃烧燃料和氧化剂事先是分离的，燃料和氧化剂一边混合一边燃烧，燃烧速率主要受湍流混合过程控制，而在湍流预混燃烧中，燃料和氧化剂在进入核心燃烧区以前已经充分混合，化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反应区的传播所控制。
上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形，很多情况下两种燃烧模式是并存的，称为部分预混燃烧。
部分预混燃烧可出现在下列情形中叫：(1)在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置发牛了局部熄火；(2)当预混火焰前缘穿过非均匀的混气时；(3)射流非预混火焰发生抬举，其根部是一个典型的部分预混火焰。
这三种部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等，它们对研究湍流燃烧过程的机理有很大意义。
在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响.湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流,如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容.湍流是非常复杂的，它包括湍流问题，湍流与燃烧的相互作用，流动参数与化学动力参数之间的耦合机理等问题。
燃烧理论分析及相应计算
燃烧机理分析林树军浙江温岭燃烧过程高速摄影1燃料和空气混合气缸混合气残余废气过程湍流火焰燃气混合物燃料空气点火TDC@1430r/min&部分负荷Lamberda=1.30喷油角度为30CRA BTC出现火焰达到离火花塞最远的气缸壁理论温度最高点燃烧阶段划分火焰高速传播期火焰传播火焰扩散期早期火焰传播火焰终止火花点燃2燃烧机理解释内燃机的燃烧过程是湍流燃烧，而湍流燃烧是一种极其复杂的带化学反应的流动现象，湍流与燃烧的相互作用涉及许多因素，流动参数与化学动力学参数之间的耦合的机理极其复杂，用数值模拟方法分析和预测湍流燃烧现象的关键问题是正确模拟平均化学反应率，即燃料的湍流燃烧速率。
3燃烧湍流模型Eddy Break up(涡团破碎模型）Spalding的涡团破碎模型，其基本思想是：对预燃火焰、湍流燃烧区中的已燃气体和未燃气体都是以大小不等并作随机运动的涡团形式存在。
化学反应在这两种涡团的交界面上发生。
化学反应的速率取决于未燃气体涡团在湍动能作用下破碎成更小的涡团的速率，而此破碎速率正比于湍流脉动动能k的耗散率，其基本表达方式如下：该模型是AVL公司fire软件里面计算燃烧的基础计算模型。
4缸内传热模型5内燃机的传热既是与燃烧现象密切耦合的一个子过程，又是整个燃烧循环模拟的一个重要环节。
然而，内燃机的传热问题又被认为热问题中最复杂的一个，这是因为由于内燃机工作过程强烈非定温度变化的高度瞬变性，以致在毫秒量级的时间内，燃烧室表面的热流量从零变化到10MW/m2，同时温度和热流的空变化也非常剧烈。
在1cm 的位置上，热流峰值相差可达5MW/m2。
一般而言，发动机的传热计算包括3个方面：（1）工质与燃烧室热量的交换（包括对流和辐射两种方式）；（2）燃烧室壁内部的热传导；（3）燃烧室外壁与冷却对流和沸腾传热。
对于内燃机燃烧过程来说，主要考虑的第一项，因而对于内燃机传热模型方面主要考虑两个方面：1、工质与壁面之间的对流换热模型，2、是辐射换热模型。
湍流两相流动有燃烧颗粒相概率密度函数输运方程理论
湍流两相流动有燃烧颗粒相概率密度函数输运方程理论燃烧流动的双相流动是以燃烧的颗粒为背景而构成的系统，它将传输，流动和反应等性质结合在一起，并表现出明显的特色。
一般来说，燃烧颗粒输运方程理论可以用于分析燃烧颗粒两相流动的影响。
一、燃烧粒子概率密度函数燃烧粒子概率密度函数是用来描述燃烧颗粒中不同尺度的分布的一种模型。
主要考虑的内容包括粒子的放散类型，形状，尺寸，总体燃烧特性等。
二、燃烧粒子输运方程理论燃烧粒子输运方程学一般用来描述燃烧流体中燃烧颗粒的运动。
根据不同的应用场景，可以采用气体拖动燃烧颗粒形成的湍流双相流动特征，也可以采用火焰传播而形成的只有燃烧颗粒的双相流动。
在统一的框架下，将对流-扩散运动以及重力以及燃烧这几种不同的热力学和力学效应耦合在一起，从而实现对燃烧流体中不同尺度的运动的模拟和表征。
三、热力学和动力学特性热力学和动力学特性指的是燃烧颗粒在不同温度，压力，燃料浓度等条件下的物性。
例如，随着温度的升高，燃烧颗粒的密度函数会发生变化；燃烧颗粒的速度等也会随着温度而变化。
此外，燃烧颗粒还与其他物质混合时，会有混合效应，进而影响流体的流动特性。
四、多尺度模型在热力学和动力学上，多尺度模型也被用于描述燃烧双相流动中的多尺度液滴特性。
通过多尺度模型可以更加准确地模拟具有湍流复杂性的燃烧双相流过程。
此外，多尺度模型还可以用来表征热力学和力学特性等，以及燃烧流体中空气和燃料分子等混合和流动的多尺度现象。
五、实验和数值模拟实验和数值模拟是用来分析燃烧颗粒双相流动的一种有力工具。
实验可以帮助我们定量测量湍流双相流的各项参数，如颗粒的速度、密度以及物质的混合比等；而数值模拟则可以为我们提供更加真实的计算模型以及更准确的预测结果。
综上所述，燃烧颗粒双相流是一个复杂的系统，使用输运方程理论，多尺度模型，概率密度函数，实验和数值模拟等方法，可以综合起来实现对湍流双相流的有效模拟，从而为相关工程应用提供有效支持。
天然气发动机缸内湍流与燃烧相互作用机制研究
通过对比实验数据与数值模拟结果，对数学模型进行修正和完善 ，提高模型的准确性和可靠性。
实验方案
01
02
03
实验设备
准备一台天然气发动机， 安装高速摄影设备、压力 传感器等实验仪器，用于 实时监测和数据采集。
实验工况
设定不同的发动机转速和 负荷工况，研究不同工况 下的湍流与燃烧相互作用 机制。
数据处理与分析
对采集的实验数据进行处 理和分析，绘制图表和图 像，提取有意义的信息和 规律。
04
预期成果及创新点
预期成果
揭示天然气发动机缸内湍流与燃烧的相互作用机制，为提高发动机性能和降低排 放提供理论支撑。
提出针对天然气发动机缸内湍流和燃烧的优化控制策略，为新产品的研发提供技 术指导。
建立湍流和燃烧相互作用的数值模拟方法，为研究缸内流动和燃烧过程提供有效 工具。
模型建立与验证
建立基于湍流与燃烧相互作用的数学模型，通过对模型的 验证和敏感性分析，揭示影响天然气发动机性能的关键因 素。
研究方法
理论分析
建立数学模型，利用数值模拟方法分析天然气发动机缸内湍流与 燃烧的相互作用机制。
实验研究
设计实验方案，利用高速摄影、光谱分析、压力传感器等技术手 段，对天然气发动机的燃烧过程进行实时监测和数据采集。
创新点
通过对天然气发动机缸内湍流和燃烧 的深入研究，揭示二者之间的相互作 用机制，为国内外首次较为全面地研
究这一重要科学问题。
将湍流和燃烧的研究方法相结合，提 出新的数值模拟方法，提高了模拟精
度和效率。
根据研究成果，设计新型的天然气发 动机控制策略，实现节能减排，为我
国能源战略提供技术支撑。
05
简述发动机燃烧室内四种气流运动的定义及特点。
简述发动机燃烧室内四种气流运动的定义及特点。
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第四章湍流燃烧
（4.3.7） （4.3.8） （4.3.9）
或
u u tij
" i " j
~ ~ u u j i t x j xi
~ 2 u t i ij 2 K ij 3 x 3 i
湍动能定义为：
ui"ui" K 2
c p T t T c pTu j k x j x j x j s Qs
（4.2.3） （4.2.4）
Ys D Ys ( Ys u j ) t x j x j x j
s s 1,2, , n 1
Rt
Rt
lim Rt 1
u t' u t' t ut'2 ut'2 t
t 0
t 0
t
Rt 0
湍 流
湍流尺度定义为： l * t
ut'2 t
其中
t Rt t dt
0
空间自相关系数
Rr
' ' uA uB '2 '2 uA uB
~~ p ~ p ~ ~ ~ ~ ~ ~ ui u j ui u j uk u j ui u j ki ui kj t xk xi x j xk xk ~ u "u " u ~ u " u " u j i k i j k xk xk
（2）质量加权平均（Favre平均）法
~ "
（2）质量加权平均（Favre平均）法
质量加权平均值定义为
部分预混超声速燃烧火焰面模式研究综述
部分预混超声速燃烧火焰面模式研究综述孙明波;范周琴;梁剑寒;刘卫东;王振国【摘要】采用部分预混火焰面模式建模与仿真已经成为超声速燃烧数值研究的主要趋势之一,系统回顾了超声速燃烧火焰面模式的发展历程,针对其应用的两个基本问题进行总结:一是火焰面模式在超声速燃烧中的物理存在问题,二是超声速燃烧火焰面模式的建模问题,重点分析了火焰面模式应用于超声速燃烧的难点,提出了超声速燃烧火焰面模式建模应兼顾的问题.【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2010(040)006【总页数】8页(P634-641)【关键词】部分预混湍流燃烧;火焰模式;火焰面模式;超声速燃烧【作者】孙明波;范周琴;梁剑寒;刘卫东;王振国【作者单位】国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073;国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073;国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073;国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073;国防科技大学航天与材料工程学院,长沙,410073【正文语种】中文超燃冲压发动机是实现大气层内高超声速飞行的理想动力装置之一,为实现其高效、稳定的工作要求,发动机内部复杂的超声速燃烧过程引起了研究者的持续关注.超声速燃烧建模与模拟一直是超声速燃烧过程研究的重要内容之一.鉴于超声速燃烧过程包含激波、局部熄火和重点火等复杂的流动或化学过程,湍流与燃烧的相互作用模型比亚声速燃烧更难建立.早期超声速燃烧的相关计算基本上都只采用有限速率化学反应动力学机理,忽略了湍流与燃烧的相互作用,最近的对比计算[1]揭示出湍流燃烧耦合与否对计算结果以及物理过程描述有着很大的影响.目前超声速燃烧模拟一个合理的湍流燃烧模型是概率密度函数 (probability density function,PDF)模型,但对于复杂反应过程(如存在激波作用、局部熄火和重点火等),输运型PDF模型因为依赖于混合模型以及采用 Monte–Carlo方法计算量巨大的特点而应用受限,而设定型PDF因不能准确预估化学反应源项的高阶关联量会导致较大误差[2].火焰面模式由Peters[3]在对层流扩散火焰的研究基础上提出,虽然受特定的燃烧模式限制,但实际情况下绝大多数的湍流燃烧呈火焰面模式,如柴油机、火花点火式发动机和气体涡轮燃烧室的燃烧都属于这种模式[4],超声速湍流燃烧是否处于火焰面模式目前仍有争议,但国内外的研究者已经开始采用该模式对超燃冲压发动机的内部燃烧过程进行描述与仿真,并逐步成为超声速湍流燃烧数值研究的主要趋势之一[2].大部分燃烧情况下预混、非预混燃烧两种燃烧形式是并存的,称为部分预混燃烧.目前部分预混燃烧的火焰面模型已经开始在超声速湍流燃烧过程中进行应用.本文的目的就在于对最近应用于超声速湍流燃烧的部分预混火焰面模式的发展历程进行总结,归纳火焰面模式的物理基础探测实验,并对火焰面模式的建模提出方向性的建议,为下一步超声速燃烧部分预混火焰面模式的发展提供参考.按照 Peters[3]的观点,非预混湍流燃烧的火焰面模式 (火焰面是很薄的反应扩散层,厚度比Kohnogorov涡旋尺度小)可以看成嵌入湍流流场内随机分布的局部具有一维结构的薄的层流火焰面的系综.通过引入混合分数Z的等值面描述火焰面的位置,标量耗散率χ描述湍流与火焰面的相互作用.Z方程建立如下式中,D为扩散系数.预先求解一组准稳态或非稳态方程得到火焰面的数据库 (包括组分质量分数和温度)式中,χ=D(▽Z)2.在由Z方程得到Z分布后按照概率统计规律进行系综平均来处理湍流燃烧问题.针对扩散燃烧的火焰面方程,解曲线通常有3个分支(见图1):稳态燃烧分支、具有部分熄火状态的非稳态分支和完全熄火分支.大多数火焰面模型仅使用了稳态分支,而忽略了非稳态分支.Pierce等[5]指出,标量耗散率χ达熄火极限时状态由稳态分支阶跃至完全熄火分支会导致出现非物理解.为解决这一问题,Pierce等[5]和Pitsch等[6]发展了火焰面/进度参数(通常用C表示)方法,采用C实现从稳态分支经由非稳态分支向完全熄火状态的过渡.通常定义C为生成物的质量分数,方程如下组分质量分数Yi、温度T和源项˙mc满足Yi=Yi(Z,C),T=T(Z,C),˙mc=˙mc(Z,C),这些化学热力学参数的过滤值由双标量的设定联合概率密度函数P(Z,C)结合火焰面数据库计算得到.Ihme等[7]进一步修改该联合概率密度函数并测试发现该方法对非预混燃烧局部熄火及重点火过程预估十分准确.此外Pitsch的课题组还发展了基于火焰面模型预估自点火的方法[8],并测试了其在HCCI(homogeneous-charge compression ignition)发动机中的应用,发现与DNS结果符合较好.对于预混燃烧,Wirth和Peters[9]最早建议采用基于水平集(level set)的G标量描述火焰面的位置式中,G对应到火焰面的符号距离,sL为层流火焰传播速度,D为物质扩散系数,κ为火焰面曲率.同样可以建立关于G的预混火焰面数据库用于求解湍流燃烧问题.还有描述预混燃烧的基于化学反应进度变量c方程方法[10],c定义为组分线性组合,c=1表示火焰前锋及焰锋后的己燃气,c=0视为未燃混合物.对于预混可以给出简单形式式中,对应于燃料反应消耗率.区别于上文应用于非预混进度参数方程源项,该方程的源项平均形式一般与火焰表面密度Σ 相关联:=(ρusL)Σ − ▽ ·(,ρu代表未燃物密度.目前对于Σ已经提出了多种建模的方法[11].低速条件下的部分预混火焰面模式目前普遍认为是由大量的三火焰(triple fl ame)构成的[12],即认为存在有局部的预混火焰和非预混火焰.目前,针对部分预混火焰,通常将描述预混火焰与描述非预混火焰相结合,先后建立起了两种描述方法.一种是以 c方程与 Z 方程结合的方法.Domingo等[10]总结建立了以火焰指示器( fl ame index将两个方程结合,对整个燃烧流区自行求解的方法,=1代表预混燃烧,=0 代表非预烧.总的燃烧释热可以由=(1−计算,和分别是经由预混燃烧和扩散燃烧模型得到的释热.对于这一类模型,由于c方程本身的局限性,如预混火焰前锋的Σ随c变化的分布规律[13]、描述Σ的火焰面褶皱因子模型[11]、Z和c的耗散率模型[14]目前尚不完善,该方法仍处于进一步发展中.另一种部分预混火焰描述方法是 Peters等[12,15]所采用的将G方程与Z方程相结合的方法.该方法设定部分预混燃烧以部分预混火焰前锋面为起始,从而可以采用预混火焰界面的G方程描述出燃烧区,这一点区别于作用于整个流场的 c方程方法.该方法被 Peters[12],Menon[16]和Li[17]等的课题组先后采用,并应用于射流抬举火焰、旋流燃烧等模拟中.但G方程的火焰面模型也不完善,例如G方程中层流火焰传播速度是从详细化学反应机理预先求解的,大部分没有实验支持,而且湍流火焰传播速度的模型与当地湍流状态有关,模型不具有通用性.另外,G方程所采用的 level set方法也处于发展中,如对到火焰面距离的重构过程,传统上采用Russo等[18]发展的近界面亚网格保持 (sub cell f i x)处理与 Sussman等[19]发展的远界面迎风处理相结合的方法模拟预混火焰,最近Hartmann等[20]进行改进可以达到界面重构的一致二阶精度,但是该方法严重依赖于当地曲率计算,Sun等[21]发展了一种不依赖于网格的sub cell f i x方法.G方程火焰面模型的另一缺陷是不能够很好处理局部熄火以及重点火现象,Nogenmyr等[22]曾对旋流燃烧中的局部熄火问题引入G方程的修正处理,但总的来看G方程模型对于复杂化学反应过程的处理能力仍十分欠缺.目前火焰面模式能否应用于描述超声速湍流燃烧还存在争论,如Swaminathan和Bilger[23,24]认为火焰面的思想只适用于局部反应区厚度远小于湍流耗散长度尺度的情形,Eif l er等[25]和Dauptain等[26]认为在非均匀压力、存在自点火机制以及激波结构复杂的流场中采用火焰面模型本身是非常难的.但 Willams[4]通过分析常见工程湍流燃烧模式,认为大部分超声速燃烧仍处于火焰面模式,Swaminathan 和 Bilger的观点不能成为判别火焰面模式缺陷的准则.Balakrishnan和Willams[27]对超声速条件下的扩散火焰进行量纲分析认为:对于较好组织的氢/空气超声速扩散燃烧,基于反应面的湍流燃烧计算比分布式反应区概念更切实可行.Bray等[28]的分析也认为超声速湍流扩散燃烧处于火焰面模式.基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)结果的分析表明[29]Waidmann等[30]支板喷射超声速扩散火焰位于“褶皱”火焰面区.但针对超声速湍流燃烧,基于火焰面模式的理论分析以及数值分析都缺乏实验观测,物理基础并不牢固.目前认为超声速湍流燃烧采用火焰面模式存在若干困难[31],总结起来有:(1)激波的作用.激波强度足够大时会促进点火或自点火,并使得火焰面模型失效.(2)超声速流动中Kolmogorov尺度递减使得Damk¨olher数以及雷诺数可能不符合火焰面的要求.(3)超声速流中动能改变导致的温度变化甚至超过化学反应释热的量级,这一点从一开始就受到重视,但迄今尚未解决.Peters等[32,33]先后提出过判别扩散火焰面模式的判据,Donbar等[34]对其进行总结,认为湍流扩散火焰处于火焰面模式要满足如下条件:(1)反应层足够薄;(2)反应层的热化学特性(离子浓度、火焰厚度等)能够由层流对撞射流火焰层理论描述;(3)反应层熄火或合并的频繁程度不高;(4)反应层的拉伸率正比于耗散率.Donbar等[34]对湍流射流扩散火焰进行PIV与CH基、OH基PLIF的联合观测,并依据这些判据对不同雷诺数的低速甲烷射流火焰的火焰面模式进行甄别,发现扩散火焰面模式基本满足要求.目前超声速湍流燃烧的火焰面模式尚没有实验进行完整的判别,但若干应用了精密观测手段的实验结果部分显示出了火焰面模式存在的可能.下面做一概括总结.超声速气流中的稳定燃烧可以通过热源的持续点火或者由速度不均流场内的回火区来组织.前者常见的形式如次级火焰的高温产物引燃主混合气、炽热平板点燃气流等,后者的常见形式是超/亚声速剪切层或设置回流区.Evans等[35]对采用环孔超声速双射流(内孔燃料、外环孔为高焓污染空气)形成的超/超声速混合、超/亚声速混合扩散火焰实验进行过总结,Zheng等[36]和 Sabelnikov等[31]的后续分析认为Evans等[35]获得的超声速扩散火焰处于火焰面模式.在超声速气流中设置回流区实现火焰稳定的常见形式有燃料壁面垂直喷射、后向台阶、支板以及凹腔等,并有了大量的实验结果,其中应用了综合非接触式光学测量手段(如纹影、平面激光诱导荧光 (planar laser-induced fl uorescence,PLIF)、粒子图像测速仪(particle imaging velocimetry,PIV))的典型实验有:Ben–Yakar[37]对模拟飞行马赫数8∼10条件下的超声速气流中横向喷注氢气或乙烯的燃烧实验,Waidmann等[30]在德国航天中心做的支板超燃发动机实验,Gruber等[38]、Rasmussen等[39]及Bynre等[40]的凹腔内外进行燃料喷射的稳定燃烧实验,Micka等[41]首次采用 CH 基 PLIF对双模态超燃过程进行观测,Sun等[42]采用OH基PLIF对凹腔上游氢气喷射燃烧过程的三维火焰结构进行了观测.Ben–Yakar[37]采用OH–PLIF观测了超声速气流中的横向H2射流燃烧以及安装凹腔的燃烧,发现喷流燃烧限于射流柱与主流形成的褶皱交界面上(图2).Waidmann等[30]对支板喷射超声速燃烧实验结果进行分析,发现支板喷射燃烧在超声速流场内形成了近似的扩散火焰面.Byrne等[40]在凹腔内部喷射氢气发现燃烧出现在凹腔回流区与主流的薄剪切层内 (图3).Gruber等[38]、Rasmussen等[39]以及Sun等[42]的OH基PLIF结果未能很好地分辨出反应区(图4),这主要是由OH基存延时间相对长造成的.鉴于 OH基不能很好标示基本反应区,最近Micka等[41]采用 CH基 PLIF对凹腔组织的乙烯喷射超声速燃烧过程进行观测 (图 5),在图像分辨率不高的情况仍然发现“燃烧处于薄反应区内”,但实验缺乏高分辨率观测且未与PIV结果对照,不能推断火焰属于褶皱型火焰面还是分布式薄反应区模式.究竟能否采用火焰面模式来描述超声速湍流燃烧,火焰面模式在以不同火焰稳定部件组织的燃烧过程中是怎样的存在形态,这种模式在什么类型下的超声速湍流燃烧中适用,或者说火焰面模式的存在条件是怎样的等基础性的物理问题,目前急需在实验观测中予以明确,为该模式在超声速湍流燃烧中的应用提供原则性概念和基础性理解.目前部分预混火焰面模式在超声速湍流燃烧中的应用困难主要体现在激波作用的影响以及高焓来流造成的局部点火或自点火的处理上.对于超燃燃烧室压力非均匀的特点,以及出现的激波/火焰相互作用,传统火焰面模式不能直接应用,必须对其进行修正.一些学者从压缩性、激波的影响等方面入手,围绕扩散火焰开展了一系列修正工作.为了考虑可压缩性的影响,Zheng等[36]首先扩展了不可压层流火焰面模型,将动能改变引起的温度变化修正进入温度计算中,也就是不同于低速时的φ(Z,χ),考虑第 3个变量——速度 u,得到T=T(Z,χ,u),Yk=Yk(Z,χ,u),为得到平均流参数,需要知道联合概率密度函数P(Z,χ,u),设定χ只与小涡特性相关,则可以认为P(Z,χ,u)=P(Z,u)P(χ),而且有 P(Z,u)=P(Z)P(u|Z),Zheng等[36]考虑了一种简单的动能向内能的转换模型这里,Y表示质量分数,下标 f,o,p分别代表燃料、氧化剂以及产物,s代表化学反应的当量系数.这样,关于温度和组分质量分数的物理量ϕ(T,Yk)可以表示为该模型计算与Evans等[35]的超声速非预混湍流燃烧实验结果符合较好.同时Zheng等[36]考虑了可压缩条件下压力膨胀项的影响,发现压力修正对计算结果影响不大.Zheng等[36]的计算结果还表明,在射流火焰的大部分区域,Kolmogorov 时间尺度与化学反应时间尺度接近相等,这样由Peters[3]定义的层流火焰面模式条件能够满足. Secundov[43]采用火焰面模型对若干种超声速燃烧形式进行计算,比较发现,对于点火延迟距离过长的燃烧区域,也就是反应区过厚的区域,火焰面模型预测结果较差.Secundov[43]在采用Zheng等[36]的方法对温度求解进行修正的同时,建立了多个压力状态的火焰数据库;Sabelnikov等[31]考虑了关于混合分数脉动的速度条件矩对Zheng等[36]建立的扩展火焰面模型进一步修正,设定在 hu|Zi附近的脉动可忽略,则P(u|Z)=δ(u−hu|Zi),注意到=(Z,χ,hu|Zi),同时采用火焰面方程可以将=Yk(Z,χ,hu|Zi),T˜=T(Z,χ,hu|Zi)与Z关联求解,再假设hu|Zi与Z之间存在简单的线性关系hu|Zi=a1+b1Z即可以实现求解.Sabelnikov等[31]采用该方法计算得到的H2/Air超声速扩散火焰温度好于Zheng等[36]的模型. Oevermann[44]为了配合激波捕捉算法的应用,舍弃火焰面数据库中的温度项,仅采用化学反应中间产物结果其中,为混合分数方差,由其输运方程得到;¯a定义为湍流平均拉伸率,¯a=CDε/k,CD 为经验参数,k和ε分别为湍动能和湍动能耗散率.当地温度由能量方程隐式求解得到Oevermann[44]采用该方法对Waidmann等[30]所做的支板超燃发动机燃烧室构型的二维情况进行模拟,计算结果与实验基本吻合.Oevermann[44]的处理方法由于简单易行,目前成为当前超声速湍流燃烧火焰面模式的主要处理方法,并在超声速扩散燃烧、部分预混燃烧以及自点火/熄火等方面逐步得到应用. 邢建文等 [45,46]、杨阳等[47]用该方法和火焰面模型对超声速支板喷射扩散燃烧以及横向射流燃烧进行模拟,结果比有限化学反应速率模型更合理. 最近 Terrapon等[48]借鉴 Pierce等[5]低速火焰面/反应进度标量模型,结合Oevermann[44]的超声速火焰面处理方法,建立了超声速条件下的火焰面/反应进度标量模型.通过对德国宇航研究中心 (DLR)开展的 HyshotII实验进行计算,发现该模型能较好的处理点火,且计算得到的压力分布与实验符合较好.Terrapon等[48]的处理方法对解决在超声速湍流燃烧中考虑点火、熄火以及激波作用条件下的火焰面模式应用问题提供了新的思路.为了考虑部分预混的影响,一些学者将修正的扩散火焰面模型和预混火焰面模型相结合,考察超声速燃烧过程.Berglund和Fureby[49]采用基于化学反应进度标量的部分预混火焰面模型和大涡模拟 (large eddy simulation,LES)方法对 Oevermann[44]计算构型的三维情况进行模拟,图 6给出了温度云图以及H2的等值面图.孙明波[50]采用基于G方程部分预混火焰面模型的大涡模拟对凹腔上游喷注氢气的超声速燃烧过程进行模拟,初步揭示了凹腔内火焰传播与火焰稳定过程,图7给出了计算得到的G=0标记的火焰区,火焰表面的颜色代表混合分数的大小,可看出火焰锋处于部分预混状态.虽然火焰面模式在超声速湍流燃烧中已经取得一定进展,但还存在以下问题急需解决.首先Oevermann[44]的处理方法简化了激波问题,但对于压力及温度不均匀流场,如何避免多个离散火焰面数据库插值带来的状态不连续,以及流场当前状态如何与计算火焰面数据库时设定燃料/空气对撞射流初态对应,都是十分困难的问题.其次在出现分离区均匀燃烧、熄火/点火过于频繁以及高强度激波促进点火的情况下,火焰面模式不能成立,如果主流中的燃烧仍然是以火焰面模式为主,此时在整个流场应用火焰面模式必须要考虑模型修正.王海峰[51]曾提出自适应火焰面/PDF模型求解的思想,对不同类型的燃烧区按一定准则实现模型自适应切换,并分析认为熄火极限对应的标量耗散率是可选的合理指标,但其建模的细致工作尚未开展.另外超声速湍流燃烧中往往存在超声速/亚声速交织的复杂流区,在不同流区由于当地湍流状态、化学反应状况的不同而出现Karlovitz数、Damk¨olher数不同的情况,这样可能出现火焰面模式与薄反应区模式共存,即复合火焰模式的情况;由于超燃燃烧室内的燃烧不稳定性,火焰可能处于一种振荡状态,还有可能出现同一流区内火焰面模式与薄反应区模式随时间相切换的情况;尽管Mura等[14]、Peters[12]都指出薄反应区可以用相同形式的反应进度标量方程或G方程模型描述,但因为扩散与反应耦合项的处理不同,这些情况下对火焰模式的建模需要设立更多的判别准则.相较 PDF模型而言,火焰面模型因为计算效率高,物理直观等优点,目前已经受到广泛的重视并在超声速燃烧计算中得到较多应用,特别是部分预混火焰面模型,尽管在低速湍流燃烧领域仍然处在发展期,目前在超声速领域的应用已经取得了良好的效果,结合大涡模拟对非定常过程的模拟也获得初步成功.需要注意的是火焰面模式在超声速湍流燃烧中的应用并不是无条件的,究竟在什么类型的超声速湍流燃烧中该模式适用,仍是有待解决的基础性物理问题.超声速燃烧因为流动处于超声速条件下,速度、密度、压力以及温度出现强耦合,加上包含有流动可压缩性、自点火、激波等复杂流动与化学反应过程,传统低速条件的湍流燃烧模型都需要进行修正才能应用于超声速燃烧模拟.从国内外研究情况的分析可以看出,目前鉴于火焰面模式的计算效率高、物理直观的特点,将低速的湍流燃烧火焰面模型向超声速湍流部分预混燃烧推广应用已经成为超声速燃烧数值研究的趋势之一.同时,部分预混火焰面模型在超声速湍流燃烧的应用中也存在有较大的困难,首先模型本身在超声速条件下物理存在合理与否,其次是超声速条件中激波、局部熄火/重点火、自点火等复杂物理化学过程给火焰面模式建模带来了诸多难题.下一步的工作需要借鉴低速火焰面模式实验研究的方法,并结合目前可用于自点火、局部熄火描述的修正火焰面模型的新进展,对超声速燃烧火焰面模式的适用条件、建模方法进行研究,从而对其应用趋势作出合理引导.致谢: 衷心感谢瑞典Lund大学白雪松教授在火焰面模式上的悉心指导,感谢庄逢辰院士在火焰面模式判别问题上的多次指导.Keywords partially premixed turbulent combustion, fl ame regime, fl amelet approach,supersonic combustion【相关文献】1 Kindler M,Lempke M,Blacha T,et al.Numerical investigation of the HyShot supersonic combustion con fi guration.AIAA 2008-5167,20082 Ladeinde F.A critical review of scramjet combustion simulation.AIAA 2009-127,20093 Peters minar di ff usion fl amelet models in nonpremixed turbulent combustion.Progress in Energy and Combustion Science,1984,10:319∼3394 Williams F A.Progress in knowledge of fl amelet structure and extinction.Progress in Energy Combustion Science,2000,26:657∼6825 Pierce C D,Moin P.Progress-variable approach for large eddy simulation of non-premixed turbulent combustion.Journal of Fluid Mechanics,2004,504:73∼976 Pitsch H,Ihme M.An unsteady/ fl amelet progress variable method for LES of nonpremixed turbulent combustion.AIAA 2005-557,20057 Ihme M,Cha C M,Pitsch H.Prediction of local extinction and re-ignition e ff ects in non-premixed turbulent combustion using a fl amelet/progress variable approach.Proceedings of the Combustion Institute,2005,30:793∼8008 Cook D J,Pitsch H,Chen J H,et al.Flamelet-based modeling of auto-ignition with thermal inhomogeneities for application to HCCI engines.Proceedings of the Combustion Institute,2007,31:2903∼22919 Wirth M,Peters N.Turbulent premixed combustion:a fl amelet formulation and spectral analysis in theory andic-engine experiments.In:Twenty-fourth symposium(international)on combustion,The Combustion Institute,1992.493∼50110 Domingo P,Vervisch L,Bray K.Partially premixed fl amelets in LES of nonpremixed turbulent bustion Theory Modelling,2002,6:529∼55111 Ferraris S A,Wen J rge eddy simulation of a lifted turbulent jet fl bustion and Flame,2007,150:320∼33912 Peters N.Turbulent Combustion.Cambridge:Cambridge University Press,200013 Hult J,Gashi S,Chakraborty N,et al.Measurement of fl ame surface density for turbulent premixed fl ames using PLIF and DNS.Proceedings of the CombustionInstitute,2007,31(1):1319∼132614 Mura A,Robin V,Champion M.Modeling of scalar dissipation in partially premixed turbulent fl bustion and Flame,2007,149:217∼22415 Muller C M,Breitbach H,Peters N.Partially premixed turbulent fl ame propagation in jetfl ames.In:Twenty-Fifth Symposium(International)on Combustion,1994.1099∼110616 Stone C,Porumbel I,Menon rge-eddy simulation of combustion dynamics in complex,swirling fl L Report 2003-007,Georgia Institute of Technology,200317 Li B,Baudoin E,Yu R,et al.Experimental and numerical study of a conical turbulent partially premixed fl ame. 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读内燃机燃烧科学技术笔记
1.湍流火焰传播速度与湍流强度成正比，与层流燃烧速度无关，即与混合气理化特性无关。
2.层流火焰传播速度随着温度提高而增大，湍流传播速度也随之增大，但它的增大没有对层流火焰传播速度的影响那样明显。
3.当压力下降时，因湍流强度的减小，使湍流火焰传播速度减小。
4.在封闭容器内的实际燃烧，火焰速度与压力升高率的关系，与燃烧室形状和点为位置有关。
5.闭口端点火的长管内，可燃气以层流传导等多种因素的影响，火焰前沿发生皱褶，并产生压缩波，各压缩波逐渐合并成冲波，冲波又诱导出气体的二次运动，火焰由层流变成湍流；湍流火焰区在管壁某处产生火核，形成爆轰。
6.周围条件对油滴燃烧的影响：1）、压力，只有当环境压力和环境温度大大超过燃料液滴临界值2~2.5时，才能使液滴越过临界点，使燃烧时间缩短。
2）、温度，从趋势上看，随着温度的上升，蒸发系数增大。
3）氧浓度，随着氧浓度的增大，蒸发系数也增大，燃烧速率加快。
4）周围空气的振动，空气发生振动，将使蒸发系数增大，但不能超过某一界限。
7.一般来说，油滴燃烧速率在很大程度上取决于它的蒸发速率和所生成的蒸气同周围空气扩散混合的速度。
8.影响火焰传播的各种因素：a.转速如果提高发动机转速保持点火提前角不变，压力曲线向右移，且峰值降低。
如果随着转速的增加将点火提前角提前，那么可基本上维持压力曲线不变。
以曲轴转角表示，主燃期几乎是定值。
b.空燃比随着相对空燃比的改变对发动机净指示效率也发生变化。
空燃比在1.4~1.6之间呈现效率峰值。
在峰值前段，效率随着空燃比增加而增加。
峰值后的曲线随着空燃比继续增加效率下降，直到快速下降。
c.EGR EGR加大到20%左右，净指示效率达到峰值。
以后效率下降。
9、示功图上燃烧区段的锯齿形”毛刺”是燃烧压力振荡波引起的。
这种压力振荡波是燃烧初期燃烧加速度达到一定值时与燃烧进程伴生的、固有的物理现象，而不是由测试或分析系统造成的。
这种燃烧压力振荡及其振幅大小主要取决于燃烧加速度是否足够大（取决于自加速反应系数的大小。
《湍流多相燃烧的基础》记录
《湍流多相燃烧的基础》读书札记1. 湍流多相燃烧的基础湍流多相燃烧作为一种复杂的物理化学过程，广泛存在于工业生产、能源利用以及环境保护等领域。
对于这一过程的深入研究，不仅有助于提升相关领域的科技水平，也有助于推动相关产业的发展。
我进行了《湍流多相燃烧的基础》这一书籍的研读，并在此记录下我的读书札记。
湍流是流体运动的一种形态，其流动过程中存在着混乱的、无序的流速变化，是由一系列大小不同、寿命各异的涡旋组合而成的。
在燃烧过程中，湍流对于燃烧反应的影响至关重要，它能够促进燃料与氧化剂的混合，提高燃烧效率。
多相燃烧是指燃烧过程中存在多种物质状态，如固态、液态和气态。
在湍流多相燃烧中，由于多种物质的存在和相互作用，使得燃烧过程变得更加复杂。
多相燃烧中的燃料可以是固态燃料（如煤、生物质等）或液态燃料（如石油、燃料油等）。
这些燃料在燃烧过程中会与空气中的氧气发生反应，生成相应的燃烧产物。
湍流多相燃烧的基础机制主要包括燃料与氧化剂的混合、燃烧反应的引发和维持以及燃烧产物的生成和排放。
在湍流的作用下，燃料和氧化剂混合更加充分，有利于燃烧反应的进行。
湍流还能促进热量的传递和扩散，使得燃烧反应更加均匀和稳定。
化学反应动力学在湍流多相燃烧中也起着重要作用，它决定了燃烧反应的速率和程度。
对湍流多相燃烧的研究具有重要的理论意义和实践价值，在理论方面，通过研究湍流多相燃烧的机制和规律，可以深化对燃烧现象的认识，推动燃烧理论的发展。
在实践方面，对湍流多相燃烧的研究有助于优化工业设备的设计，提高能源利用效率，减少环境污染。
研究方法主要包括实验观测、理论分析和数值模拟等。
1.1 湍流的定义和特点作为流体力学中的一个重要概念，描述的是流体在流动过程中存在强烈的涡旋、紊乱和不稳定现象。
与平稳的层流不同，湍流中的流体微团具有高度的无规则性和强烈的混合现象。
这种无规则性使得湍流流体的速度、压力、温度等物理量在空间和时间上呈现出剧烈的波动和不确定性。
新型湍流定容燃烧弹湍流场数值分析
新型湍流定容燃烧弹湍流场数值分析引言湍流定容燃烧弹是一种常用的火力投射武器，其燃烧过程涉及到湍流流动和燃烧化学反应的相互作用。
湍流是一种在现实工程中广泛存在的现象，对于燃烧弹的设计和优化具有重要的影响。
因此，对湍流定容燃烧弹的湍流场进行数值分析，可以有效地研究其内部流动特性，为燃烧性能的提升提供科学依据。
一、湍流定容燃烧弹的基本原理湍流定容燃烧弹是一种通过燃烧所释放的热能来产生高速气体流动的武器。
在燃烧过程中，燃料和氧化剂混合并点燃，生成大量的热能和高速气体。
燃烧弹内部的湍流流动是由于燃烧产生的大量热量导致气体的不稳定流动，形成的湍流流场。
二、湍流场数值模拟方法湍流场数值模拟可以通过计算流体力学方法来实现。
常见的计算流体力学方法包括有限体积法、有限元法和边界元法等。
在湍流场数值模拟中，需要考虑流体的守恒方程、湍流运动方程和物理模型等。
其中，湍流运动方程通常采用雷诺平均的Navier-Stokes方程进行描述，物理模型则采用湍流模型，如k-ε模型或k-ω模型等。
三、数值模拟结果与分析通过湍流场数值模拟，可以获得湍流定容燃烧弹内部的湍流场分布情况。
数值模拟结果包括速度场、压力场和温度场等。
通过对数值模拟结果的分析，可以得到以下结论：1.湍流场内部的速度场呈现出较大的波动性。
在燃烧产生的高温气体的作用下，流体会发生剧烈的湍动，形成局部的高速气体流动。
这种湍动会对燃烧反应的进行产生重要影响。
2.湍流场内部的压力分布不均匀且波动较大。
在湍流流动的作用下，气体流动速度的变化会引起压力场的波动。
这种波动会对燃烧反应的进行产生一定的影响。
3.湍流场内部的温度分布呈现出较高的非均匀性。
在燃烧过程中，燃料的燃烧会在燃烧弹内释放出大量的热能，导致温度的变化。
这种温度变化会引起湍流场内部温度的不均匀性，从而对燃烧反应产生重要影响。
四、湍流场数值分析的应用湍流场数值分析可以为湍流定容燃烧弹的设计和优化提供科学依据。
通过研究湍流场的分布特性，可以找到湍流场中存在的问题，并提出改进的措施。
流体力学中的流体中的湍流射流混合
流体力学中的流体中的湍流射流混合流体力学是研究流体运动和力学性质的学科，广泛应用于工程、物理学和地球科学等领域。
其中，湍流射流混合是流体力学中一个重要的研究方向。
本文将从湍流射流混合的基本原理、数学模型以及实际应用等方面进行探讨。
一、湍流射流混合的基本原理湍流射流混合是指两个或多个流体相互混合并产生湍流现象的过程。
在湍流射流混合的过程中，由于速度、密度和温度等物理量的差异，流体产生不稳定的湍流结构，从而引起能量的交换和物质的混合。
湍流射流混合的基本原理可以归结为三个要素：不稳定性、湍流扩散和剪切。
不稳定性是湍流射流混合的起源和关键。
当两个速度、密度和温度等物理量不同的流体相互接触时，由于其不稳定性差异，产生流体中的涡旋和涡街等不规则的湍流结构。
湍流扩散是湍流射流混合的核心机制。
具体来说，湍流的强烈搅动使流体中的物质不断混合和扩散，从而促进了能量和质量的交换。
湍流扩散的效果取决于流体的速度差异、湍流强度、涡旋尺度以及流体的性质等因素。
剪切是湍流射流混合的动力学原因。
当两个流体相互作用时，流体之间产生剪切力，导致湍流结构的产生和演化。
剪切力的大小与速度差异、流体的黏性以及流体的性质等相关。
二、湍流射流混合的数学模型为了更好地理解和研究湍流射流混合的过程，研究者们提出了许多数学模型。
其中，最常用的数学模型是雷诺平均湍流模型（RANS）和大涡模拟（LES）。
雷诺平均湍流模型是一种经验模型，假设湍流场的统计平均值与时间无关，并将湍流流场分解为平均分量和涨落分量。
这种模型可以描述湍流射流混合的整体特征，但对于湍流结构的细节缺乏描述能力。
大涡模拟是一种直接模拟湍流的方法，在计算中通过数值方法直接求解湍流的动力学方程，能够较好地模拟湍流结构的演化过程。
然而，由于计算复杂度较高，大涡模拟在实际应用中的应用较为有限。
三、湍流射流混合的实际应用湍流射流混合广泛应用于能源、环境和流体工程等领域。
以燃烧为例，湍流射流混合对燃料的完全燃烧起到关键作用。
2.3湍流与燃烧的相互作用
湍流的判断
湍流的统计描述 －概率密度函数
对流场中某点（xi，t），概率密度函数P(ui)定义为速 度分量ui在ui和ui+δui之间的概率是P(ui)δui，P(ui，ρ) 定义为速度分量ui在ui和ui+δui之间,密度在ρ至ρ+δρ 之间的概率是的概率是P(ui ，ρ)δui δρ。 联合概率密度函数－P(u1 ，u2，u3，ρ ，Y1，……Yα，h)
(l ) (l / ) (l / ) ~ 0 (l / l0 )
能量从大于 l 的涡旋向小于 l 的涡旋的传递速率 T (l )
T (l ) u(l )2 / (l )
（2-43） （2-44）
上式表明 T (l ) 与 l 无关，也即：
T (l EI ) T (l ) T (l DI )
u ( )
1 4
1 2
( / )
Re u / 1
3 0 0
（2-34） （2-35） （2-36） （2-37）
将 u / l 代入Kolmogorov尺度定义式，可得最小和最大涡旋尺度 的比值：
/ l0 ~ Re
3 4
（2-38）
1 4
EI 0
EI
性；小尺度运动（l l EI ）是各向同性的。
－Kolmogorov 第一相似假定：当雷诺数相当大时，
所有湍流中小尺度运动的统计特性都是通用的，且 仅决定于粘性系数 和耗散率 。
小尺度运动的长度尺度，速度尺度和时间尺度（Kolmogorov尺度）：
( / )
3 1 4
st
2a
)1/2
湍流燃烧及其数值模拟
湍流燃烧及其数值模拟研究1. 湍流燃烧1.1湍流燃烧基本概念当流动雷诺数数较小时，由于流体粘性的作用，流体呈层流流态。
当流动的特征雷诺数超过相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。
湍流燃烧是指湍流流动中可燃气的燃烧，在能源、动力、航空和航天等工程领域,经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程。
湍流燃烧实质是湍流，化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。
湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。
小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加，从而使化学反应速率增加。
但气流脉动不会火焰面产生皱褶，只能把火焰变成波纹状。
大尺度湍流对火焰内部结构没有影响，但使火焰阵面出现皱褶，增加其燃烧面积，造成火焰表现传播速度增加。
当湍流强度及湍流尺度均较大时，火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。
燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀，影响气体的密度和运动速度，从而影响当地的涡旋，湍流强度和湍流结构。
1.2湍流燃烧分类湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为：湍流非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。
在湍流非预混燃烧燃料和氧化剂事先是分离的，燃料和氧化剂一边混合一边燃烧，燃烧速率主要受湍流混合过程控制，而在湍流预混燃烧中，燃料和氧化剂在进入核心燃烧区以前已经充分混合，化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反应区的传播所控制。
上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形，很多情况下两种燃烧模式是并存的，称为部分预混燃烧。
部分预混燃烧可出现在下列情形中叫：(1)在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置发牛了局部熄火；(2)当预混火焰前缘穿过非均匀的混气时；(3)射流非预混火焰发生抬举，其根部是一个典型的部分预混火焰。
这三种部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等，它们对研究湍流燃烧过程的机理有很大意义。
在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响.湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流,如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容.湍流是非常复杂的，它包括湍流问题，湍流与燃烧的相互作用，流动参数与化学动力参数之间的耦合机理等问题。
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，第二相似假定适用的长度范围是
l EI l l DI ，称为惯性子区。
湍流中各种不同的尺度
惯性子区的速度尺度和时间尺度：
u(l ) (l ) u (l / ) ~ u0 (l / l0 )
2 1 3 2 3
1 3
1 3
1 3
2 3
（2-41） （2-42）
(l ) (l / ) (l / ) ~ 0 (l / l0 )
ui u j ui u j ui'u 'j ui 'u 'j u j 'ui' 'ui'u 'j
ui u j u u uiu j ui u j
'' i '' j
(2-32)
(2-33)
Favre平均和Reynolds平均比较
火焰面的传播速度定义为：
( u) S L
在未燃气中给定Yα和Tu的数值，已燃气边界采用梯度等于零和平衡 的边界条件，求解方程（2-46）和（2-47）可以求得火焰传播速度 SL 。
－层流预混火焰的结构
甲烷/空气层流予混火焰的结构
C p 假定混合物中各种组分的比热和扩散系数相等， D D ，普朗特数 P 1 ，斯密特数 Sc 1 。
* c−反应进程变量，τ −放热因子
湍流与燃烧有关的特性 －扩散性 湍流脉动引起流场中动量，化学组分和能量的输运。 －湍流是有旋的三维运动 涡旋的拉伸可以提高混合效率，增加燃烧表面积。 －相干结构 （也称拟序结构） 相干结构的存在会使流场中温度，化学组分或凝结相的分
布发生变化，影响燃烧过程，给湍流的统计描述带来困难。 －湍流中的尺度 湍流在长度尺度空间的动力学直接影响到湍流能量的 产生和耗散。最小尺度的湍流 Re 1 ，能量最终耗散为热。
－Favre平均（密度加权平均）“~”和雷诺平均“－”
ui ( xi , t ) ui ( xi , t ) ui ( xi , t ) ~ ( x , t ) u ( x , t ) u (x , t) u
i i i i i i
(2-30) (2-31)
ui ( xi , t ) ui ( xi , t ) / ( xi , t )
r
Cp ，
（1）内层的厚度 l 假定燃料消耗的时间尺度为 t ，根据量纲分析得： l (Dt )1/ 2 （2-49） （2）预热区的厚度 l F 和火焰面的时间尺度 t F
lF D D ， tF 2 SL SL
（2-50）
对于甲烷，在一个大气压下，l / lF 0.1 （3）氧化区的厚度 l
能量从大于 l 的涡旋向小于 l 的涡旋的传递速率 T (l )
T (l ) u(l )2 / (l )
（2-43） （2-44）
上式表明 T (l ) 与 l 无关，也即：
T (l EI ) T (l ) T (l DI )
层流预混燃烧的特征及其与湍流的相互作用
u ( )
1 4
1 2
( / )
Re u / 1
3 0 0
（2-34） （2-35） （2-36） （2-37）
将 u / l 代入Kolmogorov尺度定义式，可得最小和最大涡旋尺度 的比值：
/ l0 ~ Re
3 4
（2-38）
1 4
EI 0
EI
性；小尺度运动（l l EI ）是各向同性的。
－Kolmogorov 第一相似假定：当雷诺数相当大时，
所有湍流中小尺度运动的统计特性都是通用的，且 仅决定于粘性系数 和耗散率 。
小尺度运动的长度尺度，速度尺度和时间尺度（olmogorov尺度）：
( / )
3 1 4
SL（≈0.1-1m/s）主要决定于燃料和空气的当量比φ，未燃气的
( u ) 0 x
（2-45） （2-46） （2-47） （2-48）
u
Y J W x x
T T T C p u ( ) C p J h W qR x x x 1 x 1
－转变温度（H2-1000K，CH化合物-1300K） －燃料/空气的火焰传播极限值
fuel / air 0.5<φ<1.5，φ是化学当量比 （ fuel / air －层流火焰传播速度 S L
actual
）
stoichiometric
温度以及压力。假定火焰面是一个和x轴垂直的一维定常平面火 焰，在x=-∞时是未燃气，x=+∞时是已燃气。一维定常的连续 方程，化学组分和能量方程分别为：
u / u0 ~ Re
/ 0 ~ R
1 2 e
（2-39） （2-40）
其中
Re u0l0 / 。
－Kolmogorov 第二相似假定：雷诺数相当大时，长 度尺度为 l l 的湍流运动有通用性，但其特性仅 与耗散率 有关，而与粘性系数 无关。
0
引进长度尺度 l
DI
(lDI 60 )
2.3 湍流与燃烧的相互作用
湍流的判断
湍流的统计描述 －概率密度函数
对流场中某点（xi，t），概率密度函数P(ui)定义为速 度分量ui在ui和ui+δui之间的概率是P(ui)δui，P(ui，ρ) 定义为速度分量ui在ui和ui+δui之间,密度在ρ至ρ+δρ 之间的概率是的概率是P(ui ，ρ)δui δρ。 联合概率密度函数－P(u1 ，u2，u3，ρ ，Y1，……Yα，h)
湍流的尺度和典型尺度
－最大尺度
u0 ， 0 l0 / u0 ， Re l0 u0 / ， 3 2 3 能量传递速率是 u0 / 0 u0 / l0 ，耗散率 u0 / l0
l0
－Kolmogorov的局部各向同性假定：当雷诺数相当
大时，小尺度的湍流运动（ l l0 ）是统计各向同性 的。 1 定义 l 6 l ，当雷诺数很高时，大尺度运动（ l l ）是各向异
对于甲烷，l / l 3