应用详细化学反应机理和多分量输运属性的湍流射流扩散火焰模拟研究

摘要

本文采用数值模拟技术研究湍流射流扩散火焰。包括三个方面的工作：湍流射流扩散火焰的一维湍流(ODT)模拟，湍流射流扩散火焰的变密度一维湍流(VDODT)模拟，及ODT作为亚尺度模型和大涡模拟(LES)的耦合。讨论中涉及到了多方面的燃烧物理现象，如不同的扩散效应，氮氧化物的排放特性，局部熄火和再燃现象等。 针对美国Sandia国家实验室TNF工作组测量的湍流射流扩散火焰H3，采用详细的化学反应机理，基于多分量扩散属性，进行了ODT数值模拟。通过和实验数据的对比，详细的验证了模拟的精度及模型的有效性。结果显示出，程序能够生成合理的湍流火焰结构，精确预测了湍流火焰长度。对温度场及主要组分的模拟结果能够较好的符合实验结果。对于NO的生成进行了预测。讨论了不同的扩散效应。详细的研究了局部熄火和再燃现象。在固定Re数为10000的情况下，对两个具有不同全局混合速率的火焰进行了模拟。模拟结果显示出熄火现象主要发生在近喷口区域。随着全局混合速率的增加，局部熄火的区域也随之增加。在熄火区域，主要污染物NO迅速减少。熄火是一个快速的过程，而与之相对应的再燃过程则较为缓慢。以上研究充分显示出一维湍流作为一个独立的模型，能够细致的求解湍流与化学反应的耦合作用。 将VDODT模型应用到了湍流射流扩散火焰的数值模拟过程中。通过和实验数据的对比显示出模型具有较高的模拟精度。通过和ODT模型的对比，揭示了二者模拟结果的差异。 在不可压Navier-Stokes方程的框架下，实现了ODT和LES的耦合。通过和Kang在2003年测量的衰变湍流实验数据的对比，验证了ODT和LES耦合的有效性及模拟精度。模型准确的预测了在下游不同位置的实验能谱。并生成了精确的关于速度二阶统计量的概率密度函数曲线。

目录

文摘

英文文摘

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主要符号对照表

第一章绪论

1.1前言

1.2本文的主要研究内容

1.3研究现状与文献综述

1.3.1概况

1.3.2一维湍流模型

1.4论文章节概要

参考文献

第二章一维湍流模型

2.1 ODT控制方程

2.2多分量扩散

2.3 ODT控制方程的求解

2.4涡事件

2.4.1三值映射

2.4.2三值映射的数值实现

2.5核转换操作

2.5.1矢量ODT

2.5.2变密度ODT公式

2.6涡事件的概率分布

2.6.1涡事件的发生密度

2.6.2涡事件的时间尺度

2.6.3涡事件的抽取

2.6.4大涡抑制机制

2.6.5对于抽取频率的控制

2.7抽取和输运过程的耦合

参考文献

第三章ODT模拟湍流射流扩散火焰

3.1实验室火焰

3.2 ODT初始化过程

3.2.1速度场的初始化

3.2.2点火机制

3.3 ODT数值实验

3.3.1火焰宏观结构

3.3.2 ODT预测流场特征

3.3.3 ODT预测微量组分

3.3.4不同的扩散效应

3.4 ODT模拟局部熄火和再燃现象

3.5本章小结

参考文献

第四章VDODT模型验证

4.1实验室火焰

4.2 VDODT数值实验

4.3结果和讨论

4.3.1 VDODT预测流场特征

4.3.2 VDODT预测微量组分

4.4本章小结

参考文献

第五章基于ODT亚尺度模型的LES数值模拟

5.1有限体积大涡模拟

5.1.1有限体积的过滤

5.1.2有限体积LES控制方程

5.1.3数值方法

5.1.4传统的亚尺度模型

5.2 ODT亚尺度模型

5.3结果和讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章论文总结和下一步工作展望

6.1全文工作总结

6.2下一步工作展望

致谢

攻读学位期间的研究成果及发表的论文