大孔隙率多孔介质内湍流流动和质量弥散的数值研究

摘要

随着人类迈入21世纪，资源和环境的问题愈加突出。基于气体或液体燃料在大孔隙率多孔介质中燃烧的过滤燃烧技术在高效、节能和净化诸方面都显示出诱人的前景，加之多孔介质材料和技术的进展，而日益引起人们的研究兴趣，并已在工程实际中获得越来越多的应用。本文以多孔介质燃烧器和多孔介质发动机为研究背景，通过数值模拟研究了大孔隙率多孔介质内湍流流动与组分输运过程，主要目的是更系统深入地理解多孔介质内湍流流动和混合气的形成过程的特点及规律，并进一步推动该领域的理论研究及其实际应用。 本文主要在下列几方面进行了研究与探索： 1、在众多的多孔介质湍流模型中，对具有代表性的三种模型进行了较全面的介绍与分析，并针对内部置入多孔介质的长方形管道内的湍流流场，利用主要的两种宏观湍流模型进行了数值研究。与实验结果进行比较和分析后发现，A-L湍流模型对湍流的抑制作用略大一些。 2、为了深入研究大孔隙率多孔介质内的湍流特性对多孔介质内输运和燃烧过程的重要影响，建立了多孔介质的一种二维孔隙网络模型。此模型由一系列的圆形孔隙体和长方形喉道互相连接而成。使用标准k-ε模型模拟孔隙网络内的微观流场，利用体积平均方法将微观流场计算结果转换为宏观流场的信息，从而确定了宏观湍流模型中修正项系数的值。与相关文献比较和分析显示吻合良好。 3、为考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响，对模拟内燃机气缸的一个圆柱状多孔介质燃烧室进行了数值研究。建立了四种多孔介质简化结构模型，详细研究了多孔介质内湍流流动和喷雾油束与多孔介质的相互作用，对能量方程和油滴碰壁模型进行了修正。着重分析了多孔介质结构、多孔介质孔隙率、喷射压力和喷雾锥角对燃烧室内湍流流场、混合气形成和均匀化过程的影响。 研究表明多孔介质结构和孔隙率对多孔介质内湍流流动的影响很大，从而影响整个区域的湍流流场。喷雾锥角的大小直接影响到自由流体区域湍动能水平和喷雾油束与多孔介质相互作用过程，以及多孔介质内湍动能水平和流场。而喷射压力对喷雾油束与多孔介质相互作用和湍流流场的影响，主要是通过改变油滴运动速度而得以实现。喷射压力增大，油滴运动速度得以增加，湍能水平也相应增加。油蒸汽的分布更加均匀、更加广阔。 4、大孔隙率多孔介质内流动和燃烧问题的一大难点是同时存在时间上的湍流脉动和空间上的扰动即弥散。弥散是由于介质中数量巨大而形状又极不规则的微孔对流体流动产生强烈扰动而引起的一种输运现象。利用由圆柱形单元的周期性阵列作为多孔介质结构简化模型，对甲烷和空气在多孔介质中扩散过程进行了数值研究，利用微观流场的计算结果和体积平均方法求出了甲烷在多孔介质内的纵向质量和横向质量弥散系数，并与相关实验数据和理论公式进行了比较和分析。对总的质量扩散率的各分量，即分子扩散、湍流扩散、时均流弥散和湍流弥散的相对重要性做了评价，为深入研究多孔介质中的弥散效应和湍流扩散效应，提供了一种可借鉴的模拟方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 引言

1.1研究背景

1.2多孔介质在燃烧工程和发动机中的应用

1.3多孔介质内湍流的理论研究

1.4多孔介质内湍流的实验研究

1.5多孔介质内弥散特性的研究

1.5.1热弥散

1.5.2质量弥散

1.6多孔介质结构模型的研究

1.6.1规则小单元组成的阵列模型

1.6.2计算机重构的随机模型

1.6.3孔隙网络模型

1.7本文主要研究内容和结构

2多孔介质内宏观湍流模型的概述与分析

2.1体积平均方法

2.1 A-L(Antohe-Lage)模型

2.2 N-K(Nkayama-Kuwahara)模型

2.3 P-dL(Pedra-de Lemos)模型

2.4本章小结

3基于宏观湍流模型的多孔介质内湍流数值模拟

3.1数学模型

3.1.1自由流体区域控制方程

3.1.2多孔介质区域控制方程

3.1.3边界条件和初始条件

3.2数值模型的检验

3.3结果和讨论

3.3.1多孔介质孔隙率对湍流流动的影响

3.3.2雷诺数Rf对湍流流动的影响

3.3.3多孔介质渗透率对湍流流动的影响

3.4本章小结

4基于孔隙尺度网络模型的多孔介质内湍流数值模拟

4.1数学模型

4.1.1几何模型

4.1.2宏观湍流控制方程

4.1.3微观湍流控制方程

4.2周期性单元和边界条件

4.3计算结果和讨论

4.3.1孔隙率对湍动能水平的影响

4.3.2入口雷诺数对湍动能水平的影响

4.3.3微观计算结果及其积分值

4.4本章小结

5多孔介质燃烧室内湍流气液两相流的数值研究

5.1数学模型

5.1.1几何模型

5.1.2控制方程

5.1.3燃油喷雾模型

5.1.4喷雾油束与壁面的相互作用

5.1.5油滴与热壁面的传热模型

5.2模型参数

5.3.1多孔介质结构的影响

5.3.2多孔介质孔隙率的影响

5.3.3喷雾锥角的影响

5.3.4喷射压力的影响

5.4本章小结

6大孔隙率多孔介质内质量弥散的数值研究

6.1多孔介质模型简介

6.2控制方程

6.2.1层流流动的宏观扩散方程

6.2.2湍流流动的宏观扩散方程

6.2.3弥散系数的求解

6.3边界、初始条件及求解

6.3.1边界条件和初始条件

6.3.2求解

6.4计算结果和讨论

6.4.1流体速度对扩散的影响

6.4.2孔隙率对扩散的影响

6.4.3入口平面甲烷气体的平均质量分数对扩散的影响

6.4.4纵向弥散系数

6.4.4横向弥散系数

6.5本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

参考文献

读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

作者简介