基于非线性亚格子模型的Sandia火焰D和F的大涡模拟

摘要

湍流燃烧的数值模拟已经成为与实验同等重要的研究方法。随着计算机的巨大发展，大涡模拟已经成为湍流燃烧的主要模拟方法。目前大涡模拟采用的是基于涡粘性的线型亚格子模型，该模型对强烈剪切混合的模拟存着较大的误差。非线性的亚格子模型在泰勒展开的基础上对亚格子项进行直接重构，从而精确预估亚格子项。本文采用非线性亚格子模型对有强烈剪切的湍流扩散燃烧火焰进行了大涡模拟。 美国Sandia国家实验室的值班射流系列火焰是经过精确测量的，被公认可以用与验证湍流燃烧模型的标准实验。其中的火焰D和F，由于存在着湍流燃烧中湍流与燃烧之间的强烈相互作用，因此成为众多湍流燃烧模型的模拟对象。本文采用非线性亚格子梯度应力模型（GDSM）和非线性亚格子通量模型，同时结合部分搅拌器（PaSR）燃烧模型和DRM19化学反应机理对Sandia火焰D和F进行大涡模拟研究，并将其模拟结果与动态一方程湍流模型的计算结果、W.P.Jones的研究结果进行对比研究。 模拟研究表明，相比于涡粘性亚格子模型，应用非线性亚格子模型的大涡模拟方法（NLES）能更准确的预估湍流燃烧中的速度场、标量场分布及湍流混合过程。NLES方法能较准确捕捉着火位置和火焰结构，很好地预报火焰存在的局部熄火现象，尤其在火焰F中X/D=15径向截面处的强烈局部熄火，这表明该方法对湍流燃烧中的局部熄火再燃现象的捕捉十分具有发展潜力。最后的研究表明，火焰中存在的局部熄火和再燃现象是高标量耗散率和湍流输运综合作用的结果。

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