层流多维火焰面生成流形方法的研究
发布时间：2017-10-25 21:28
本文关键词：层流多维火焰面生成流形方法的研究
更多相关文章： 多维火焰面生成流形 部分预混火焰 火焰面进度变量 标量耗散率 火焰面坐标变换 燃烧机制指数 主元分析方法
【摘要】：对于复杂的包含多组分的燃烧化学反应系统,直接求解详细反应机理方法需要的计算量通常难以承受,因此需要在模化过程中采用降低维度的方法来降低计算量。固有低维流形(ILDM)和计算奇异摄动(CSP)等方法被引入燃烧化学反应过程的简化计算中,同时基于以上思想提出了如火焰固有流形延伸(FPI)以及火焰面生成流形(FGM)等进阶计算方法,通过在原有的ILDM方法基础上加入了扩散等流动效应的影响,提高了模型模拟的精度。在FGM方法中,通过计算火焰面方程生成一系列的低维流形来捕捉火焰前沿的主要结构特征。通过流动和化学反应过程的解耦,可以大大简化求解燃烧场所需的计算量。基于预混和扩散火焰面的FGM方法已经被成功地应用于层流和湍流火焰数值模拟中,但对于受多种火焰机制控制的复杂燃烧结构,现有的火焰面模型方法无法准确还原当地的火焰结构。譬如基于扩散火焰面的FGM不能模拟部分预混火焰中的传播特征,而基于预混火焰面的FGM无法捕捉等混合分数面之间的扩散过程。不能较好的反映等混合物分数面之间的扩散效应。 为了解决以上问题,由Nguyen等提出了多维火焰面生成流形的方法。基本思路为从化学反应流的基本方程出发,得到多维组分空间中的火焰面方程,进而发展为多维火焰面生成流形方法。例如在部分预混火焰模拟中,可以选取混合物分数Z以及火焰面反应进度变量E作为组分空间的坐标。通过同时求解扩散项和预混项对火焰面方程的贡献来捕捉火焰中的部分预混特征,从而通过增加求解维数的方法提高了火焰面模型的精度。该模型可以较好地处理扩散和预混两个不同的火焰特征,能够更好地用于部分预混火焰的数值模拟。 本文采用火焰面坐标变换的方法,对常用的一维化学热力学建表方法,如层流稳态火焰面模型、预混火焰面生成流形方法等进行了详细分析,验证了不同建表方法在不同火焰机制中的适用范围。进一步分析了采用不同火焰面建表参数对层流稳态火焰面模型模拟精度的影响,同时对采用主元分析方法(PCA)重新定义火焰面反应进度变量进行了研究。在对一维火焰面模型的研究基础上,进一步依据多维火焰面生成流形的思路,发展了两种新的多维火焰面建表方法：基于对多维火焰面方程中的标量耗散率采用交互迭代修正的交互式多维火焰面生成流形方法,以及引入归一化的反应进度变量c替换火焰面进度变量Yc作为火焰面坐标得到的Z-c多维火焰面生成流形方法。通过对具有三岔火焰特征的层流抬举火焰以及一系列对撞部分预混火焰的模拟,采用直接求解详细化学反应方法的解作为参照解,以验证新的多维火焰面方法的精度,并与原有的基于一维预混FGM方法所得到的解进行了对比。数值模拟结果表明,多维火焰面模型可以同时捕捉火焰结构中的扩散和预混特征,相比一维火焰面模型,提高了数值模拟的精度。通过比较分析不同模型解得出,使用多维火焰面可以在大幅度减少计算量的前提下,达到接近直接求解详细化学反应的解的精度。
【关键词】：多维火焰面生成流形 部分预混火焰 火焰面进度变量 标量耗散率 火焰面坐标变换 燃烧机制指数 主元分析方法
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-12
- 第1章 绪论12-33
- 1.1 计算燃烧学的应用背景12-13
- 1.2 燃烧器中的火焰结构特征13-17
- 1.2.1 预混燃烧的结构特征13-14
- 1.2.2 扩散燃烧的结构特征14-15
- 1.2.3 部分预混火焰特征及其在工业中的应用15-16
- 1.2.4 部分预混燃烧机制的研究进展16-17
- 1.3 化学反应简化方法17-20
- 1.3.1 计算奇异摄动(CSP)方法17
- 1.3.2 当地自适应建表(ISAT)方法17-18
- 1.3.3 固有低维流形(ILDM)方法18-19
- 1.3.4 固有低维流形延伸(FPI)和火焰面生成流形(FGM)方法19-20
- 1.4 化学热力学建表方法20-29
- 1.4.1 层流稳态火焰面模型(Steady laminar flamel et model)21-23
- 1.4.2 预混火焰面生成流形(Premixed FGM)方法23-24
- 1.4.3 均匀搅拌反应器(Perfectly stirred reactor)建表方法24
- 1.4.4 层流非稳态火焰面模型(Unsteady laminar flamelet model)24-25
- 1.4.5 湍流燃烧中的层流火焰面模型25-29
- 1.5 CHEMKIN和OpenFOAM软件简介29-32
- 1.6 本文主要工作介绍32-33
- 第2章 基于一维火焰面方程的化学反应建表方法研究33-59
- 2.1 火焰面坐标下的化学反应建表方法分析33-36
- 2.1.1 火焰指数(Flame index)33-34
- 2.1.2 火焰面坐标变换34-35
- 2.1.3 不同火焰机制下的化学热力学建表方法分析35-36
- 2.1.4 燃烧机制指数和多机制火焰面模型36
- 2.2 不同建表参数对火焰面模型精度的影响研究36-39
- 2.3 层流同轴射流部分预混火焰的数值模拟39-45
- 2.3.1 层流同轴射流部分预混火焰的结构特征39-41
- 2.3.2 不同火焰面模型建表方法41-42
- 2.3.3 不同模型建表方式得到的解之间的对比42-45
- 2.4 层流抬举火焰模拟45-51
- 2.4.1 层流抬举火焰的基本特征45-46
- 2.4.2 火焰面模型和自适应网格技术的应用46-48
- 2.4.3 不同模型建表方式得到的解之间的对比48-51
- 2.5 主元分析方法(PCA)在火焰面模型中的应用51-58
- 2.5.1 主元分析方法(PCA)52-53
- 2.5.2 PCA在燃烧学领域的应用53-55
- 2.5.3 层流抬举火焰数据的PCA还原55-58
- 2.6 本章小结58-59
- 第3章 层流多维火焰面生成流形方法59-71
- 3.1 多维火焰面生成流形(MFM)59-60
- 3.2 Z-Y_c多维火焰面生成流形方法60-64
- 3.2.1 Z-Y_c多维火焰面控制方程60-62
- 3.2.2 标量耗散率的模化62-63
- 3.2.3 多维火焰面与CFD计算的耦合63-64
- 3.3 多维火焰面的数值算法64-65
- 3.3.1 燃烧化学反应动力学计算中的刚性问题64
- 3.3.2 VODE微分方程求解器64
- 3.3.3 分裂算法64-65
- 3.3.4 多维火焰面计算采用的差分格式65
- 3.4 Z-Y_c多维火焰面解的参数分布特征65-69
- 3.4.1 层流部分预混火焰建库65-66
- 3.4.2 计算结果及讨论66-69
- 3.5 本章小结69-71
- 第4章 交互式多维火焰面生成流形方法71-81
- 4.1 交互式火焰面模型方法71-72
- 4.1.1 交互式稳态火焰面模型(Interactive SLFM)71-72
- 4.1.2 RIF火焰面模型72
- 4.2 交互式多维火焰面生成流形方法(Interactive MFM)72-74
- 4.2.1 多维火焰面方法的交互式迭代修正72-73
- 4.2.2 IMFM迭代流程73-74
- 4.3 层流抬举火焰的计算74-80
- 4.3.1 数学物理模型及数值方法74-75
- 4.3.2 计算结果分析75-80
- 4.3.3 结论80
- 4.4 交互式多维火焰面生成流形方法的优势与不足之处80-81
- 第5章 Z-c多维火焰面生成流形方法81-94
- 5.1 Z-c多维火焰面生成流形81-85
- 5.1.1 Z-c坐标空间的火焰面方程组81-83
- 5.1.2 火焰机制判断与标量耗散率的模化83-85
- 5.1.3 Z-c多维火焰面生成流形85
- 5.2 层流对撞部分预混火焰的计算85-93
- 5.2.1 对撞部分预混火焰的配置85-86
- 5.2.2 Z-c多维火焰面建表86-88
- 5.2.3 不同模化方法得到的解之间的对比88-93
- 5.3 Z-c多维火焰面生成流形方法的优势与不足93-94
- 第6章 结论和展望94-96
- 6.1 全文总结和创新点94-95
- 6.2 工作展望95-96
- 参考文献96-106
- 致谢106-107
- 博士期间发表的学术论文与取得的其他研究成果107
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 周力行;胡砾元;王方;;湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展[J];工程热物理学报;2006年02期
2 贾明;解茂昭;周磊;刘红;;加速详细反应动力学计算的ISAT改进方法研究[J];工程热物理学报;2010年06期
3 黄威;赵平辉;叶桃红;;PaSR湍流燃烧模型对典型湍流射流火焰的数值模拟[J];工业加热;2011年03期
4 姚通;文斐;钟北京;;CSP简化机理在超声速燃烧中的应用[J];工程热物理学报;2013年02期
5 赵平辉;叶桃红;朱e，
本文编号：1095595
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