湍流燃烧模拟

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.
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。
Rfu ~ / k
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拉切滑模型 (stretch-cut-and-slide model)
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.
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。
Rj Rjk 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
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
分布函数P(f)的概念
在空间任何一点上混合物分数的统计分布, 其中混合分数是由于瞬态质量分数f随时间脉动 而形成的;
也称为瞬态质量分数f的几率分布密度，简 写为PDF
几率
产生某个值的可能性
P( f )df f (t) 处在 （f，f df）范围内的时间
间隔t的时间分数，即几率。
Rosin-Rammler分布
火焰传播速度
其中：Ｕp为火焰前沿法向移动的分速度； Ｕn为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。
火焰正常传播
火焰传播速度
SL up un
n dn
uP
im
0
d
其中：up为火焰前沿法向移动的分速度；
un为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。
如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致， 取负号，反之，取正号。
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)
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:
火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在 其法线方向上的速度
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。
( doi )n
Re d
此处R表示滴径大于doi的液滴重量占液滴总重量的百分数
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
主要内容
湍流燃烧认识 湍流燃烧模型 Fluent软件中的湍流燃烧模拟
第一部分 湍流燃烧认识
湍流燃烧的认识
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.
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. 。
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。