基于一维湍流模型的湍流扩散火焰数值模拟研究

摘要

火灾是湍流燃烧过程，而实际的湍流燃烧是湍流与复杂化学强烈耦合的非线性过程。湍流与复杂化学之间的耦合导致反应求解方程刚性增大，带来较大的计算量，因此耦合湍流和复杂化学的数值模拟是一项极具挑战的工作。DNS对湍流燃烧的模拟可以达到Komogrov尺度，并且可以扑捉到湍流中细小的涡团结构及脉动信息，但是由于刚性问题导致的计算量非常庞大，因此模拟复杂化学很难实现，并且耦合复杂化学的层流火焰也不能反映湍流燃烧特性。所以，复杂化学的湍流燃烧模拟需要一个可行且有效的数值模拟平台。一维湍流模型(ODT)模拟不仅能够较高精度的模拟湍流燃烧，而且一维尺度的计算代价也在可承受范围内。本文建立大规模的ODT模型并行平台，模拟和分析甲基磷酸二甲酯(DMMP)对丙烷湍流扩散火焰的抑制效果。
　　本文首先介绍了ODT模型的湍流模拟机制及数值求解方法，应用该模型模拟分析了稀释剂H2O/CO2/N2对合成气火焰燃烧特性的影响，并将计算数据与美国sandia实验室的相关实验数据进行比较分析。在中高雷诺数条件下，详细分析不同稀释剂对合成气火焰结构、温度、NOx化合物生成及熄火、再燃现象的影响。模拟结果显示，稀释剂CO2能够最大程度的降低了合成气火焰的温度，有效减少了NOx的生成并且CO2稀释的合成气火焰出现最大程度的熄火现象。
　　其次，由于实现耦合复杂化学的湍流燃烧模拟需要很强的计算能力，因此本文对ODT模型进行并行计算设计。本文对并行计算系统及其算法进行了研究，采用了高性能Linux集群系统及MPI编程平台实现ODT模型的并行化。运用并行化的ODT模型对乙烯燃烧火焰进行模拟，并且将并行模拟结果与David等人的模拟结果相比较，验证并行化ODT模型计算结果的有效性。
　　最后，应用ODT大规模计算平台模拟研究含磷添加剂(DMMP)对丙烷湍流扩散火焰的抑制效果。模拟结果表明，添加灭火剂DMMP之后，丙烷火焰温度明显降低，火焰主要自由基OH和O也随之减少。当DMMP的添加量为300ppm时，丙烷湍流扩散火焰的熄火概率由原来的0.5上升为0.6。并且通过DMMP含磷分解组分的分析发现:HOPO2和HOPO通过PO2迅速的相互转化。研究发现在这些催化反应中，如果火焰自由基H或OH被其他的一些烃基取代，形成甲烷，甲醇或者其他稳定的组分，同样可以导致丙烷火焰的熄火。
　　本文主要贡献在于建立大规模ODT模型计算预测平台。在湍流燃烧中，湍流流动过程和化学反应过程有着强烈的相互关联和相互作用。然而，传统的复杂化学研究都是在层流的基础上而不考虑湍流对化学反应的影响，因此，本文主要考虑湍流与复杂化学耦合作用的条件下模拟分析并讨论DMMP对丙烷火焰的抑制效果。这也为火灾中熄火、再燃及其他湍流典型现象提供数值模拟研究基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 耦合复杂化学湍流扩散火焰数值模拟的意义

1．3 耦合复杂化学的扩散火焰数值模拟研究现状

1．3．1 耦合复杂化学的扩散火焰研究方法

1．3．2 一维湍流模型模拟湍流燃烧的数值方法

1．4 论文章节概要

参考文献

第二章 一维湍流模型数值方法及其数值模拟应用

2．1 ODT模型概述

2．2 ODT控制方程

2．3 涡事件概率分布及抽取方法

2．4 合成气稀释扩散火焰的一维湍流数值模拟

2．4．1 合成气扩散火焰的宏观结构

2．4．2 合成气稀释扩散火焰微量组分的预测

2．4．3 合成气稀释扩散火焰的局部熄火与再燃现象

2．5 本章小结

参考文献

第三章 ODT模型的大规模模拟平台

3．1 并行计算概述

3．1．1 并行计算机的分类

3．1．2 本文的并行计算系统

3．2 并行编程模型及MPI应用

3．2．1 并行编程模型

3．2．2 MPI的应用

3．3 ODT模型的并行设计与实现

3．3．1 ODT模型并行算法的设计

3．3．2 ODT模型并行算法的实现与结果分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 含磷灭火剂对丙烷扩散火焰抑制效果的一维湍流模拟

4．1 研究背景

4．2 丙烷湍流扩散火焰的设置

4．3 ODT模拟的初始化设定

4．3．1 丙烷湍流扩散火焰速度及温度的初始化

4．3．2 丙烷湍流扩散火焰反应机理的选择

4．4 DMMP对丙烷湍流扩散火焰的抑制作用

4．4．1 DMMP对丙烷湍流扩散火焰温度的影响

4．4．2 DMMP对丙烷射流火焰主要组分的影响

4．4．3 DMMP对丙烷火焰熄火与再燃的影响

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 全文工作总结

5．2 下一步工作的展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢