湍流强度对火焰传播影响的大涡模拟研究
基于动态增厚火焰模型三维全可压缩非预混燃烧的大涡摸拟
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基于大涡模拟的室内火灾数值模拟
研究与探讨
２数 学 模 型
２１控制 方程 ．
火 灾发 生后 ，烟气 在 建 筑 内部进 行 着 流 动是 一 种 高度 复杂的 三维非稳 态 、带 旋转 的不 规则运 动 。 烟气 的流动 遵 循着 能 量质 量 的守 恒 定 律 即 ：能 量 方程 、动量 方 程 、连续 性 方程 和 组 分方 程 。这 些 方程 的通用形 式 为 ：
数值模拟技术就是把火灾中的确定性规律抽象成数 学公式 ，通过控制方程的求解来再现这种规律。数 值模拟的意义在于通过简化和近似 ，逐个研究影响 火灾 的各 个 分 过程 和各 主要 因素 的作 用 。逐 步揭 示
火 灾 的机 理 和规律ｌ Ｉ ｊ 。
１ 理模 型 物
图 １ 理 模 型 物
研究与探讨
能 源研 究 与管 理 ２ １（ ） ０ ０ ３
・ ３・ ｌ
基于大涡模拟的室内火灾数值模拟
戴圣 ，刘秀玉
（ 安徽 工业 大学建筑工程 学院 安徵马鞍 山 ２３ ０ ） ４０ ２
摘 要 ：采用数值模拟技术对室内发生火灾后的室内温度及烟气 的流动做 出模拟。对火焰 的燃烧采用 Ｕ Ｆ编程 以实 Ｄ
昙ｐ＋ｖ 巾 ｄｒａ）。 ’ （）ｉｕ：ｖｒ￣ ｄｐ）ｉｇｄ＋ （ （
式 中 四项 分别 为时 间相 ，对流 项 ，扩散 项 和 源 项 。其 中 西 为通用 变量 ， ｒ 为扩 散系数 。 湍 流 流场 中起 主导作 用 的是 大 尺 寸 的漩 涡 ，小 尺寸 的漩 涡 主要 引起 湍 流 动量 的 扩散 。理论 上 可 以 通 过 直 接数 值模 拟 （ Ｎ ） 尺 寸 的湍 流 模 型 ，但 是 Ｄ Ｓ 在 实 际工 程 中并 不 可行 ，它 的计算 代 价太 大 ，不 实
连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟
连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟李国庆;杜扬;齐圣;王世茂;李蒙;李润【摘要】采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNGk-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性.结果表明:(1)大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNGk-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;(2)障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;(3)爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2018(038)006【总页数】9页(P1286-1294)【关键词】油气泄压爆炸;大涡模拟;障碍物;火焰特性【作者】李国庆;杜扬;齐圣;王世茂;李蒙;李润【作者单位】陆军勤务学院油料系,重庆401311;陆军勤务学院油料系,重庆401311;陆军勤务学院油料系,重庆401311;62250部队,青海格尔木816099;陆军勤务学院油料系,重庆401311;陆军勤务学院油料系,重庆401311;陆军勤务学院油料系,重庆401311【正文语种】中文【中图分类】O381;X932油气爆炸是发生在化工领域和储油场所最严重的灾害之一[1-2]。
在实际的储油场所，比如油料洞库、覆土油罐巷道中不可避免地存在各种障碍物，如通风管道、各种阀门以及通道面积突然缩小的通道口(比如通道防护门)等。
当火焰在传播过程中与此类障碍物相互作用时，火焰形态、火焰传播速度、流场结构及爆炸超压等与没有障碍物的空间相比都会发生显著的变化[3-5]。
因此，研究火焰与障碍物的相互作用机制及由此引发的流场结构变化对于有效预防油气爆炸事故的发生及降低灾害损失意义重大。
对置障管道内甲烷、氢气和丙烷等可燃气体的爆炸特性已有大量的研究[4,6-13]，研究重点主要为障碍物对火焰的湍流加速机理以及爆炸流场特性等。
湍流燃烧数值模拟的研究与进展
湍流燃烧数值模拟的研究与进展湍流燃烧是指在燃烧过程中，燃料与氧化剂在湍流的条件下相遇和反应。
湍流燃烧数值模拟是一种通过计算机模拟湍流燃烧过程的方法，可以提供燃烧器内部的流场和温度分布等信息，对于燃烧器的设计和优化具有重要的意义。
本文将对湍流燃烧数值模拟的研究与进展进行探讨。
首先，湍流模型的选择是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
湍流现象十分复杂，需要选择适当的湍流模型来模拟湍流流动。
常用的湍流模型有雷诺平均应力模型(RANS)和大涡模拟(LES)。
RANS是一种将湍流场分为均匀部分和涡旋部分的统计方法，适用于模拟湍流较为稳定的情况；而LES则能模拟较为精细的湍流结构，但计算量较大。
根据具体问题的复杂程度和计算资源的限制，选择适当的湍流模型具有重要意义。
其次，化学反应模型的建立是湍流燃烧数值模拟的另一个关键问题。
燃烧过程中涉及到多种化学反应，需要建立合适的化学反应模型来描述燃烧反应。
常见的化学反应模型有简化化学反应模型和详细化学反应模型。
简化化学反应模型基于简化的反应机理，计算速度较快；而详细化学反应模型则基于包含大量反应步骤的反应机理，计算速度较慢但结果更精确。
根据具体问题的要求和计算资源的限制，选择适合的化学反应模型具有重要意义。
此外，边界条件的设定也是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
边界条件的合理设定可以保证计算结果的准确性。
常用的边界条件有Inflow Boundary Condition、Outflow Boundary Condition、Wall Boundary Condition等。
对于湍流燃烧数值模拟，还需要考虑湍流场的边界条件，例如由湍流脉动引起的湍流输运方程中的涡粘性项的边界条件等。
最后，计算方法的选择也对湍流燃烧数值模拟的结果和计算速度有着重要的影响。
常用的计算方法有有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)等。
这些方法在计算精度和计算速度方面各有优势，需要根据具体问题的要求选择适当的方法。
基于火焰面密度的湍流分层燃烧大涡模拟
基于火焰面密度的湍流分层燃烧大涡模拟
于洲;张宏达;叶桃红;唐鹏
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2018(39)3
【摘要】为了研究分层燃烧火焰结构、发展适用于分层条件的亚格子燃烧模型,采用火焰面密度模型描述燃烧过程,通过化学热力学建表方法确定主要标量信息,对剑桥分层旋流燃烧器Sw B5工况进行大涡模拟研究。
模拟结果表明,该亚格子燃烧模型可以很好地满足流场上游的计算,但是在下游存在偏差,这可能与所采用的皱褶因子模型低估了湍流对火焰的形变作用有关。
由于燃烧放热引起的再层流化现象明显,钝体后回流区近似稳态。
瞬时Q函数云图表明,流动在管口附近发生Kelvin-Helmholtz不稳定性并形成环状涡结构。
瞬时、统计火焰因子云图表明Sw B5的燃烧机制主要由预混燃烧主导。
【总页数】10页(P565-574)
【作者】于洲;张宏达;叶桃红;唐鹏
【作者单位】中国科学技术大学热科学和能源工程系;中国航发沈阳发动机研究所【正文语种】中文
【中图分类】V231.21
【相关文献】
1.基于互动小火焰模型的内燃机燃烧过程大涡模拟
2.高雷诺数湍流非预混火焰及NO生成的大涡模拟
3.基于ESF和FGM的湍流预混火焰大涡模拟
4.基于大涡模拟的煤粉湍流燃烧研究
5.同轴射流燃烧室非预混湍流燃烧流场特性大涡模拟研究
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小尺度受限空间内瓦斯湍流爆燃大涡模拟
小尺度受限空间内瓦斯湍流爆燃大涡模拟温小萍;余明高;邓浩鑫;陈俊杰;王发辉;刘志超【摘要】构建了150 mm×150 mm×500 mm小尺度受限空间三维模型,基于火焰表面密度模型和Charlette湍流燃烧模型,对两侧连续障碍物条件下瓦斯爆燃火焰与湍流耦合过程进行了大涡模拟(LES).模拟结果均与实验结果进行了比较.结果表明:大涡模拟可以很好预测瓦斯爆燃过程中的火焰结构、火焰锋面位置、火焰传播速度及超压,验证了大涡模拟及湍流燃烧模型对于瓦斯爆燃的适用性.此外,通过Karlovitz数定量描述了瓦斯爆燃火焰与湍流之间的相互作用及其变化规律,并对不同时刻的火焰模态进行了判别,在两侧连续障碍物条件下瓦斯湍流爆燃火焰先后经历波纹小火焰和薄反应区两种模态.%A 3D model of small-scale confined space with an inner size of 150 mm × 150 mm × 500 mm was set up. Based on the flame surface density model and the turbulent combustion model by Charletteet al., a large wddy simulation (LES) had been carried out on the process of gas deflagration flame-turbulence interaction with continuous obstacles at two sides of the chamber. All numerical results have been compared to experimental data. It showed that the LES is capable to predict the flame structure, position, speed, and overpressure in the process of gas deflagration, and the applicability of the LES and turbulent combustion model on gas deflagration was verified. In addition, the interaction between gas deflagration and turbulence and the relationship were described quantitatively by the Karlovitz number, and the transient flame regimes also identified. Under condition of continuous obstacles at double sides of the chamber, the gas turbulent deflagrationflame experienced in the subsequent states of corrugated flamelets zone and thin reaction zone.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2016(005)005【总页数】7页(P1837-1843)【关键词】爆燃;湍流;模型;数值模拟;超压;火焰【作者】温小萍;余明高;邓浩鑫;陈俊杰;王发辉;刘志超【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454003【正文语种】中文【中图分类】TD712DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151219Lee等［5］通过实验研究指出，大尺度障碍物形成的湍流是爆燃火焰加速机制的最重要因素，并将这种在大尺度湍流激励下的爆燃过程称为湍流爆燃。
湍流燃烧数值模拟的研究与进展
湍流燃烧数值模拟的研究与进展湍流燃烧是指在燃烧过程中，燃料与氧气的混合和燃料的燃烧过程都受到湍流的影响。
湍流燃烧的数值模拟是研究湍流燃烧的重要手段之一，对于理解湍流燃烧过程、改善燃烧效率和降低污染物排放具有重要意义。
本文将对湍流燃烧数值模拟的研究与进展进行详细介绍。
湍流燃烧数值模拟是通过计算流体力学方法，对湍流燃烧过程中流体流动和燃烧反应的数值模拟。
它可以提供详细的流场和燃烧反应的信息，如速度场、温度场、浓度场和压力场等。
湍流燃烧数值模拟主要包括湍流模型和燃烧模型两部分。
湍流模型是描述湍流流动的数学模型，常用的有雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）模型和大涡模拟（LES）模型。
RANS模型通过平均化处理来描述湍流，适用于高雷诺数流动，但对湍流涡结构和湍流耗散率的预测比较有限。
LES模型通过直接解决大尺度湍流结构，能够更准确地模拟湍流行为，但计算量较大。
近年来，混合RANS/LES模型和基于人工神经网络的模型等新兴模型也得到了广泛应用。
燃烧模型是描述燃烧反应的数学模型，常用的有化学动力学模型和乘数离散方法。
化学动力学模型是基于化学反应速率方程，描述燃烧反应速率。
乘数离散方法是一种解耦的方法，将燃烧反应和流动动力学分开求解，适用于高雷诺数湍流燃烧。
近年来，模型还包括了湍流-化学耦合模型，用于描述湍流和燃烧反应之间的相互作用。
湍流燃烧数值模拟在工程和科学研究中得到了广泛应用。
在火力发电、内燃机燃烧和燃煤燃烧等过程中，湍流燃烧数值模拟可以用于优化燃烧器设计、降低燃料消耗和污染物排放等。
在燃烧领域的科学研究中，湍流燃烧数值模拟为理解燃烧机理、预测燃烧性能和开发新型燃料提供了重要工具。
然而，湍流燃烧数值模拟仍然面临一些挑战。
首先，湍流燃烧过程涉及到复杂的物理和化学过程，模型的准确性仍然有待提高。
其次，湍流燃烧数值模拟的计算量较大，耗时较长，需要更高的计算能力。
此外，湍流涡结构的尺度范围较广，涡旋之间的相互作用复杂，对数值模拟的网格尺寸和网格生成有较高的要求。
超音速流动与燃烧的大涡模拟基础
L
RL
34
第一部分
超燃冲压发动机燃烧室研究概述
为了模拟湍流运动，计算网格的尺度应大到 足以包含最大尺度的涡，应小到足以分辨最小涡 的运动，假设为二维网格，整个计算区域的网格 点总数应不少于： 64
N ~ RL
计算要模拟的时间长度应大于大涡的时间尺 度 ，而计算的时间步长应小于小涡的时间尺度 ， 因此所需要的时间步数应不小于：
第一部分
超燃冲压发动机燃烧室研究概述
在50年前，人们意识到高超声速技术在军事 和空间技术上的应用价值，便广泛开展了关于高 超声速技术的研究，随着航天技术的飞速发展， 世界各国在高超声速技术上的竞争更加激烈。高 超声速技术主要指研制高超声速（Ma>5）飞行器 所需要的相关技术。吸气式高超声速飞行器无需 自带氧化剂，有效载荷大，飞行成本低，可控性 强，安全性高并可以长时间重复使用，将对未来 的天地往返运输系统和军事攻防对抗体系提供了 非常有价值的新能力。因此目前人们更为关注的 是吸气式高超声速飞行器相关技术。
连续性方程
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Favre 过滤
LES中 连续性方程
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LES的连续性方程 没有出现未封闭项！
第二部分
动量方程
超音速湍流流动大涡模拟
1 2 Sij 3 Skkij
ui uiu j p t x j xi x j
动量方程出现不封闭项， 亚格子应力需要模化。 sgs u u u u
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第二部分
超音速湍流流动大涡模拟
常见的亚格子模型包括Smagorinsky涡粘模 型、尺度相似模型、混合模型和一方程模型等。 目前常用的模型是动态Smagorinsky涡粘模型，个 人认为，在超音速流中，一方程模型更合理。因 为在超音速流中，湍流度增强，且具有很强的各 向非均匀性，湍流脉动的局部平衡关系被打破， 动态Smagorinsky涡粘模型不再适用。
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收 稿 日 期 ：２０１８１２１５；修 回 日 期 ：２０１９０５２１ 基 金 项 目 ：国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （２０１７ＹＦＢ０１０３４００） 作 者 简 介 ：刘 宗 宽 （１９９２— ），男 ，硕 士 ，主 要 研 究 方 向 为 双 燃 料 发 动 机 燃 烧 模 拟 ；ｌｉｕｚｏｎｇｋｕａｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 通 讯 作 者 ：周 磊 （１９８２— ），男 ，副 教 授 ，主 要 研 究 方 向 为 发 动 机 湍 流 燃 烧 ；ｌｅｉ．ｚｈｏｕ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
出现局部熄火。清华大学任祝寅等 在 ［３］ 发动机工 况 下，使用一维模拟的 方 法 研 究 了 小 尺 度 湍 流 对 火 焰 锋面 ＮＯ狓 生 成 的 影 响，发 现 小 尺 度 涡 流 可 以 穿 透 火焰的预热 区，增 强 混 合 过 程，在 更 高 的 初 始 压 力 下，随着小尺度湍 流 的 增 强，火 焰 前 锋 ＮＯ狓 生 成 量 最 大 可 以 降 低 ４０％ 。
２０１９年８月 刘宗宽，等：湍流强度对火焰传播影响的大涡模拟研究 · ２３ ·
犇犗犐：１０．３９６９／ｊｉ．ｓｓｎ．１００１２２２２．２０１９．０４．００４ 中 图 分 类 号 ：ＴＫ４０１ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１２２２２（２０１９）０４００２２０５
随着能源危机 和 环 境 污 染 的 日 益 严 重，各 国 纷 纷制定了越来越严 格 的 汽 车 油 耗 和 排 放 法 规，因 此 对发动机的节能减排提出了更高的要求。合理组织 缸内燃烧以提高发动机的热效率是发动机节能减排 最直接、最有效 的 手 段。 点 燃 式 发 动 机 缸 内 燃 烧 为 预混湍流燃 烧，缸 内 湍 流 对 可 燃 混 合 气 的 形 成、着 火、燃烧和火焰 传 播 过 程 有 着 重 要 影 响。 为 进 一 步 探明湍流对火焰及 燃 烧 的 影 响 机 理，进 而 通 过 控 制 湍流合理组织缸内 燃 烧，本 研 究 从 湍 流 脉 动 与 火 焰 传播相互作用的角 度 出 发，通 过 数 值 仿 真 的 方 法 进 行了研究。
第 ４ 期 （总 第 ２４３ 期 ） ２０１９ 年 ８ 月
车 用 发 动 机 ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
Ｎｏ．４（ＳｅｒｉａｌＮｏ模拟研究
刘 宗 宽 ，刘 昌 文 ，卫 海 桥 ，周 磊
（天 津 大 学 内 燃 机 燃 烧 学 国 家 重 点 实 验 室 ，天 津 ３０００７２） 摘 要 ：为 了 研 究 封 闭 空 间 中 湍 流 强 度 与 火 焰 传 播 相 互 作 用 ，基 于 快 速 压 缩 机 试 验 平 台 建 立 了 燃 烧 室 模 型 ，开 展 了 上止点缸内压力１．１ ＭＰａ和１．４ ＭＰａ及不同湍流强度下，异辛烷空气当量比混合气点火和火焰传播过程的三维 大涡模拟研究。研究结果表明：火焰发展受到周围湍流脉动的影响，火焰形态发 生 褶 皱 和 变 形，且 随 着 湍 流 强 度 的 增加，火焰表面褶皱和变形越发严重；同时火焰的褶皱和变形会进一步加剧湍流 脉 动，从 而 加 强 火 焰 和 湍 流 脉 动 的 相 互 作 用 ，影 响 缸 内 的 燃 烧 情 况 。 关 键 词 ：湍 流 脉 动 ；火 焰 传 播 ；大 涡 模 拟 ；燃 烧
在火 焰 与 湍 流 相 互 作 用 方 面，现 有 研 究 大 多 针 对湍流对火焰的作 用，而 火 焰 对 湍 流 流 场 的 影 响 关 注较少。东南大学杨宏 应 ［４］ 用层流激光技术从 湍 流涡结构入手，研究 了 涡 运 动 与 湍 流 火 焰 之 间 的 相 互作用机理，推导出 了 燃 烧 热 膨 胀 对 大 尺 度 火 焰 涡 团生成有 增 强 和 抵 消 作 用。 北 京 交 通 大 学 姜 延 欢 等 在 ［５］ 定容燃烧弹中研究了湍流强度对 ＣＨ４Ｈ２ 混 合气火焰结构特性 的 影 响，发 现 火 焰 表 面 的 褶 皱 因 子随着湍流强度的 增 加 而 增 加；火 焰 锋 面 的 局 部 速 度 服 从 正 态 分 布 ，且 随 着 湍 流 强 度 的 增 大 ，正 态 分 布 的对称轴逐渐向右侧移动。虽然通过纹影试验的方 法可以获取清晰的 火 焰 锋 面，观 察 火 焰 表 面 的 褶 皱 情 况 ，但 无 法 获 取 缸 内 湍 流 流 场 的 分 布 ，而 使 用 数 值 仿真的方法可以获 得 燃 烧 室 内 湍 流 流 场 的 分 布，通 过分析火焰面和湍 流 场 的 变 化，从 而 得 到 湍 流 脉 动 与火焰发展相互作用的情况。但是现有的研究对发 动机工况下的大分子燃料的湍流燃烧的深入研究还