动态亚网格“二阶矩”湍流燃烧模型

发布时间：2017-12-17 00:14

  本文关键词：动态亚网格“二阶矩”湍流燃烧模型

  更多相关文章： 湍流燃烧 部分预混火焰 二阶矩封闭 大涡模拟 直接数值模拟

【摘要】：越来越多的燃烧器被应用于工业装置中,在当今社会,这些装置的污染变得越来越严峻。因而对燃烧的研究变的越来越重要,随着计算机技术的发展,数值模拟方法被越来越多的学者用来研究燃烧。数值方法主要分为三类:直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺平均模拟(RANS)。直接数值模拟主要被用来研究湍流燃烧的基础理论和燃烧模型的验证。尽管当前DNS能被用来研究实验室尺度火焰,但是,它当前还远远不能被应用于工业装置的研究,这主要是因为DNS需要的计算量很大。RANS和LES在计算上的花费相较于DNS来说很小,LES比RANS提供更多的瞬态信息和增进人们对湍流燃烧现象的深入了解,所以,大涡模拟被越来越多的学者用来研究燃烧问题。在之前的直接数值模拟对传统定义的预混和扩散火焰研究中,都发现了预混火焰和扩散火焰同存的问题,而当前,所有的燃烧模型都不能很好的处理这种火焰。为了处理这种多燃烧模式的火焰,本文提出了 一个新的大涡模拟燃烧模型(动态亚网格"二阶矩"湍流燃烧模型)。通过对Arrhenius表达式的直接过滤,从而得到过滤的反应速率。亚网格反应项通过一个代数式计算,该代数式子是通过严格的数学理论推导得到的。首先对该模型进行了先验性验证,验证的数据源自直接数值模拟。结果表明动态亚网格"二阶矩"湍流燃烧模型是可信的。其次,在单步反应化学机理的前提下,对该模型进行了后验证性分析。目标火焰为Sandia圆孔直射流火焰系列(FlameC、D、E和F),通过对比发现,本燃烧模型可以精确的捕捉火焰的结构。与原始二阶矩阵燃烧模型(original-LES-SOM)进行了对比分析,结果表明original-LES-SOM可以捕捉到不同的燃烧区域和组分的信息,但是本燃烧模型这方面的能力都要优越于它。对FlameD中的亚网格粘性进行了研究,观察到了亚网格粘性负效应区域。关于亚网格反应速率对整个化学反应速率的影响,发现亚网格反应速率和整个化学反应速率相反,说明省略"二阶项"会使得反应速度要快于实际过程。其次,将动态亚网格"二阶矩"湍流燃烧模型拓展至多步反应机理,并且将多步反应机理和单步反应机理结果进行了全方位对比。选用非常有挑战的旋流钝体火焰(SM1)作为目标火焰。结果表明,多步反应机理对SM1火焰中流场的影响很小,并且多步反应和单步反应机理都能够准确的预测SM1火焰中的信息。但是,多步反应机理在温度和混合分数的预测上要优于单步反应机理。最后,将动态亚网格"二阶矩"湍流燃烧模型拓展于液相燃烧。为了验证该拓展过程的准确性,采用LES和DNS数值方法对液相旋流燃烧进行了研究。结果表明,动态亚网格燃烧模型可以准确的预测预混和扩散同存的复杂火焰结构,并且对组分的预测上也表现的很优秀。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16

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本文编号：1298006