湍流预混燃烧中的非各向同性速度统计与涡面结构

发布时间：2021-08-31 17:34

　　尽管统计局部各向同性假设已广泛用于湍流理论和建模,但湍流预混火焰的局部释热会令附近流体密度与黏性发生突变,进而使湍流流场呈现非各向同性统计。我们将涡面场方法推广于湍流预混燃烧,用于表征非各向同性涡面结构。发现未燃侧的小尺度缠绕扭曲涡管在火焰区受到热膨胀的拉伸作用,在已燃侧融合为大尺度块状结构。结合拟涡能输运方程和雷诺应力Lumley三角形,分析发现从未燃侧到已燃侧速度场非各向同性程度逐步增加,且涡面几何结构的变化与速度场局部非各向同性统计高度相关。 

【文章来源】：空气动力学学报. 2020,38(03)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【图文】：

湍流预混火焰分区图（红点标识本DNS算例参数）

对于算例C中已到达湍流统计稳态的瞬时流场，图3中给出了其平均VSF偏差随伪时间演化的衰减曲线。可看出初始VSF即涡量强度的VSF偏差很大，约为30%。随着伪时间迭代的进行，涡面场偏差迅速降低到10%以下，最终可降低至5%左右。该偏差远小于使用欧拉涡识别方法（涡量强度等值面）时的偏差。因此，伪时间修正和局部优化方法能有效降低VSF偏差，获得较准确的VSF数值解。该收敛时的平均VSF偏差大小依赖于流场中的涡线复杂度与VSF网格数[20]。本算例中VSF网格与DNS网格一致。通常当湍流强度增大时，需要进一步提高VSF网格数来获得相当大小的平均VSF偏差。2.4 非各向同性的涡面结构

为了隔除平均剪切效应而独立地研究火焰对湍流的影响，本DNS考虑统计稳态HIT中沿流向自由传播的平面甲烷/空气预混火焰。如图1所示，计算域为长方体区域，边长分别为Lx×Ly×Lz=6L×L×L，其中L=2mm。左右边界分别设置为入流和出流条件，侧面y和z方向设置为周期边界条件。计算域采用均匀网格离散，网格规模为Nx×Ny×Nz=6 N×N×N。所有算例中解析度均满足通用的湍流燃烧DNS网格选取准则[22]。本DNS中使用NGA程序[23]在交错网格上求解控制方程（1)～(4）。动量方程中的空间导数项采用具有动能守恒特性的二阶中心差分格式进行离散，而组分质量分数和温度输运方程中的对流项采用三阶有界QUICK格式[24]离散。时间推进采用二阶半隐式Crank-Nicolson格式[25]。化学反应计算采用13组分甲烷/空气骨架化学反应机理[26]，并通过调用CHEMKIN软件库[27]获得化学反应速率、热物性等物理量。计算中采用常值Lewis数（Le）设定：先计算相同工况下的层流预混火焰，然后根据混合物平均的物性参数计算得到不同组分的Le用于燃烧DNS计算。化学反应源项的时间积分采用隐式ODE求解器DVODE[28]进行处理。所有DNS算例至少预先运行10Te时间以使流场达到统计稳态，然后在接下来的20Te时间段内进行数据统计分析，这里Te为湍流大涡翻转时间。


本文编号：3375320