基于非线性亚格子模型的Sandia火焰D和F的大涡模拟

发布时间：2020-11-10 09:42

　　 湍流燃烧的数值模拟已经成为与实验同等重要的研究方法。随着计算机的巨大发展,大涡模拟已经成为湍流燃烧的主要模拟方法。目前大涡模拟采用的是基于涡粘性的线型亚格子模型,该模型对强烈剪切混合的模拟存着较大的误差。非线性的亚格子模型在泰勒展开的基础上对亚格子项进行直接重构,从而精确预估亚格子项。本文采用非线性亚格子模型对有强烈剪切的湍流扩散燃烧火焰进行了大涡模拟。美国Sandia国家实验室的值班射流系列火焰是经过精确测量的,被公认可以用与验证湍流燃烧模型的标准实验。其中的火焰D和F,由于存在着湍流燃烧中湍流与燃烧之间的强烈相互作用,因此成为众多湍流燃烧模型的模拟对象。本文采用非线性亚格子梯度应力模型(GDSM)和非线性亚格子通量模型,同时结合部分搅拌器(PaSR)燃烧模型和DRM19化学反应机理对Sandia火焰D和F进行大涡模拟研究,并将其模拟结果与动态一方程湍流模型的计算结果、W.P.Jones的研究结果进行对比研究。模拟研究表明,相比于涡粘性亚格子模型,应用非线性亚格子模型的大涡模拟方法(NLES)能更准确的预估湍流燃烧中的速度场、标量场分布及湍流混合过程。NLES方法能较准确捕捉着火位置和火焰结构,很好地预报火焰存在的局部熄火现象,尤其在火焰F中X/D=15径向截面处的强烈局部熄火,这表明该方法对湍流燃烧中的局部熄火再燃现象的捕捉十分具有发展潜力。最后的研究表明,火焰中存在的局部熄火和再燃现象是高标量耗散率和湍流输运综合作用的结果。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK16
【部分图文】：

从而影响化学反应速率，进而改变火焰结构，而湍流强度达到一定程度会引发局部熄火，甚至火焰吹熄等现象。同时，燃烧释放热量反过来也会影响到流场的结构。因此，如何准确描述湍流与燃烧之间的相互作用是至关重要的也是十分困难的。4）其它问题。工程实际中的燃烧器很多时候使用的不是气体燃料，那就需要考虑燃烧过程中出现的多相流燃烧问题。广大学者对湍流燃烧的数值模拟进行了大量的系统研究，但目前还无法得到令人满意的结果。目前主流的关注点在于开发更符合实际物理过程的湍流模型和燃烧模型，以期正确描述湍流混合、分子扩散和化学反应三者之间的相互关系。1.2 湍流燃烧数值模拟方法湍流燃烧数值模拟方法主要有三种，分别为直接数值模拟（DNS）、雷诺平均方法（RANS）和大涡模拟（LES）方法。图 1.1 所示为 RANS、LES 和 DNS 三种方法计算的湍流火焰局部温度的时间演化图。下面将简要介绍这三种模拟方法。

图 1.2 流场某点速度随时间的演化图，真实值与 LES 计算值的对比图[4]。对连续性方程、动量方程、化学组分和焓的传输方程进行空间—密度加vre 滤波），滤波后的控制方程如下[18,19]：0tjjux （( )ti i jijij ij i ju u u Pfx x x （tiii jij jij j jqqY u Yx x x （hthj j jihijj j j ju h DPq qux Dt x x u （ij 是滤波后分子剪切应力张量，if 是外力如重力，jq 是滤波后分子热流滤波后组分分子扩散项，hs 是外热源项如辐射热， = ∑ =1是化学

来验证模型的正确性。同时该系列火焰中存在局部熄火和再燃现象，对这些湍流燃烧的特征现象的研究将有利于深入认识湍流与燃烧之间的相互作用关系，对揭示湍流燃烧的内部机制具有重要作用。1.4 Sandia 值班射流系列火焰数值模拟研究现状目前关于 Sandia 值班射流系列火焰的数值模拟研究已经非常多，主要的方法有雷诺平均（RANS）和大涡模拟（LES）。国内对 Sandia 值班射流系列火焰的研究主要集中在火焰 D，且其中大多采用雷诺平均（RANS）方法[52-57]。Sandia 火焰 D/E/F的众多大涡模拟研究当中主要应用了涡粘性亚格子模型和各式各样的燃烧模型，如火焰面模型（flamelet model）、PDF 方法、条件矩（CMC）模型等等，下面将以不同燃烧模型为分类进行详细介绍。1.4.1 火焰面模型（flamelet model）
【参考文献】

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本文编号：2877784