基于实时模拟信息反馈的湍流扩散火焰数值模拟研究

摘要

本质上来说，火灾是一种湍流燃烧现象。湍流燃烧的核心问题是研究湍流混合与复杂化学在多个时间-空间尺度上的相互作用关系。研究湍流混合与复杂化学的相互作用机理，有助于对火灾动力学更深层次的理解，有助于特殊工况下火灾模型的开发。
　　研究湍流混合与复杂化学相互作用关系，首先需要海量的、包含耗散尺度湍流信息的反应流数据。本文采用一维湍流模型(ODT)来获取高保真数据集。ODT模型能够分辨Kolmogorov尺度上的湍流脉动信息，在耦合复杂化学计算时比多维直接模拟的计算代价要低得多。由于化学反应流是典型的变密度流，本文在原始ODT程序的基础上，综合考虑多维速度分量及密度变化对随机涡事件的影响，开发了变密度版ODT程序，并通过与实验值对比验证了变密度ODT程序的有效性。可分辨耗散尺度湍流信息的高精度ODT数值平台，为进一步分析湍流-化学相互作用关系和构建经验低维流形提供了健壮的数据库。
　　研究湍流混合与复杂化学相互作用关系，还需要高效的、精准的反应流数据分析方法。本文构建了基于扩展定义的Damk(o)hler数和拉格朗日示踪方法的高精度计算燃烧分析平台，从时间尺度关系出发，解耦湍流混合与化学反应的相互作用关系。本文应用ODT程序数值模拟了CO合成气湍流扩散燃烧过程，结合化学爆炸模式分析(CEMA)理论，建立了基于Damk(o)hler数的湍流扩散火焰局部熄火重燃情节分析方法。结果显示，熄火区可以由大的、负的Damk(o)hler数表示。此外，本文还从时间演化角度对拉格朗日示踪单元的爆炸指数(EI)进行了深入讨论。通过对熄火持续时间的区分，定义了两种不同的湍流扩散火焰局部熄火情节。通过对重燃过程爆炸指数的分析，定义了两种不同的湍流扩散火焰重燃机理:预混火焰传播重燃情节对应着较长时间的预热过程及较高的温度爆炸指数，且重燃过程相对缓慢;独立火焰面的重燃情节对应着较高的自由基爆炸指数和较小的温度梯度，且重燃过程相对较快。
　　分析是为了更加准确、高效的模拟湍流燃烧现象。在不同的湍流扩散燃烧区内，主导因素差异巨大，这也对反应源项的封闭模型产生不同的要求。因此，本文提出基于实时模拟信息反馈的湍流扩散火焰模拟方法。该方法利用实时模拟数据进行分析，并反馈诊断信息到主程序的计算中;在积分反应源项时，根据分析的结果选择合适的模型进行封闭。实时反馈的信息为局部Damk(o)hler数，可由化学爆炸模式分析(CEMA)和局部标量耗散率得到。依据反馈的Damk(o)hler数，可以确定具体的湍流扩散火焰燃烧区，进而根据各个燃烧区的特点选择恰当的反应源项封闭模型:位于火焰面燃烧区时（Da≥DaLFA），可以使用基于化学制表的稳态层流火焰面模型进行封闭;位于熄火区时（Da≤1），此时采用基于Arrhenius方程的有限速率模型进行封闭;位于非稳态燃烧区时（1＜Da＜DaLFA），化学时间尺度相对于混合时间尺度来说是不能忽略的，火焰面模型也不再适用。本文在ODT程序的基础上嵌入了基于实时模拟信息反馈的模拟程序，并通过与原始ODT程序结果及实验值的对比，验证了基于实时信息反馈混合封闭模型的正确性。
　　随后，本文又从湍流燃烧低维流形理论的角度对混合封闭模型进行了优化。本质上说，层流火焰面模型是一类基于假设条件的低维流形。本文摒弃了这种不利的前提条件，直接从高保真的模拟数据出发，构建了经验流形来替代稳态层流火焰面模型。由于直接来源于燃烧数据的分析，使得经验流形也能够对非稳态湍流燃烧区进行封闭;也使得基于经验流形的混合封闭模型对自由基组分的预测精度大大提高。此外，在构建经验流形时可以使用单次ODT模拟数据，且构建的经验流形对射流雷诺数、临界Damk(o)hler数等条件依赖性较小。这些优点进一步扩大了基于实时信息反馈混合封闭模型的使用范围。
　　本文主要的创新点如下:构建了基于Damk(o)hler数和拉格朗日示踪方法的高精度计算燃烧分析平台，并据此鉴定、区分了不同情节的湍流扩散火焰的局部熄火重燃现象及其机理;构建了基于实时模拟信息反馈的湍流扩散火焰混合封闭模型，并从经验低维流形的角度进一步优化了混合封闭模型，通过与实验值及原始ODT程序的对比，验证了混合封闭模型的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 耦合复杂化学的湍流反应流数值模拟

1．2．1 湍流反应流模拟方法简介

1．2．2 一维湍流模型

1．3 湍流反应流海量高保真数据分析

1．4 基于实时模拟信息反馈的湍流混合封闭模型

1．4．1 湍流扩散火焰燃烧区对封闭模型的影响

1．4．2 基于实时模拟信息反馈的湍流扩散火焰模拟框架

1．4．3 基于流低维流形理论的混合封闭模型优化

1．5 本文的研究内容及章节安排

参考文献

第二章 耦合复杂化学的高精度湍流反应流模拟

2．1 引言

2．2 一维湍流模型控制方程

2．3 涡事件分布及抽取机理

2．3．1 三值映射

2．3．2 涡事件的频率分布

2．3．3 密度变化对涡事件的影响

2．3．4 涡事件的抽取与抑制

2．3．5 一维湍流程序数值求解过程

2．4 一维湍流模型程序验证

2．5 本章小结

参考文献

第三章 Damk?hler数刻画的熄火重燃分析

3．1 引言

3．2 化学反应爆炸模式分析

3．3 湍流扩散火焰局部熄火重燃分析

3．3．1 火焰结构

3．3．2 熄火诊断分析

3．3．3 局部熄火事件的拉格朗日示踪研究

3．3．4 局部熄火和重燃情节

3．4 本章小结

参考文献

第四章 基于实时模拟信息反馈的混合封闭模型构建

4．1 引言

4．2 基于实时模拟信息反馈的湍流混合封闭模型

4．2．1 湍流扩散火焰燃烧区分布

4．2．2 局部Damk?hler数定义

4．2．3 雅可比矩阵的主变量降维

4．2．4 反应速率的混合封闭模型

4．3 混合模型的有效性验证

4．3．1 H2／N2湍流非预混火焰

4．3．2 CH4／H2／N2湍流非预混火焰

4．4 本章小结

参考文献

第五章 融合经验流形的混合封闭模型优化

5．1 引言

5．2 融合经验流形的混合封闭模型

5．2．1 局部经验流形生成

5．2．2 基于经验流形的混合封闭构建

5．2．3 模型确认

5．3 混合封闭模型的影响因素

5．3．1 临界Damk?hler数的影响

5．3．2 不同射流雷诺数的影响

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 论文创新点

6．3 工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果