两相湍流燃烧边界层的直接数值模拟及数据驱动建模
发布时间：2021-05-19 10:23
目前,化石能源的燃烧依旧是人类获取能量和动力的主要方式。这些燃料通常以两相湍流燃烧的形式被组织在一个受限的装置中。在这些装置的壁面附近,存在着颗粒-湍流-火焰-壁面四者之间的复杂相互作用,例如颗粒影响湍流的强弱、湍流使火焰弯曲褶皱、火焰在壁面发生熄火回火、壁面产生壁湍流并经受颗粒的碰撞磨损等等。这些过程会影响燃烧装置的安全性、效率以及污染物的生成。然而,由于近壁面的两相湍流燃烧存在强剪切、强耦合和强非线性,给相关研究带来困难和挑战,目前人们对两相湍流燃烧边界层的认知还十分有限。因此,本文采用高精度直接数值模拟方法逐步地对这一问题展开研究,以揭示颗粒-湍流-火焰-壁面之间的相互作用机理,同时为解决实际工程问题提供参考和指导。首先采用内嵌边界方法从微观角度考察了有限体积颗粒与各向同性湍流的作用机理。发现颗粒靠对流体做功来增强湍流,靠增强耗散率来抑制湍流。被颗粒增强的耗散率主要位于颗粒上游和侧翼的小尺度涡中。进一步分析表明,两种影响湍流的机制都与颗粒和流体之间的滑移运动有关。采用颗粒雷诺数来表征滑移运动之后,本文建立了这两种对立机制的强弱与颗粒雷诺数之间的定量关联,发现当颗粒雷诺数较高时颗粒...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：207 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
术语表
1 绪论
1.1 两相湍流燃烧边界层的研究背景
1.2 边界层湍流研究概述
1.2.1 气相等温湍流边界层
1.2.2 气相非等温湍流边界层
1.2.3 两相湍流边界层
1.3 湍流调制研究概述
1.3.1 斯托克斯数
1.3.2 颗粒雷诺数
1.3.3 长度尺度
1.3.4 颗粒体积浓度
1.3.5 颗粒动量数
1.4 火焰壁面相互作用概述
1.4.1 层流火焰壁面相互作用
1.4.2 湍流火焰壁面相互作用
1.5 直接数值模拟与数据驱动建模
1.6 本文的主要研究内容
2 直接数值模拟方法
2.1 连续相控制方程
2.1.1 不可压形式
2.1.2 全可压形式
2.2 离散相控制方程
2.2.1 点源计算方法
2.2.2 全尺度内嵌边界模拟方法
2.3 本章小结
3 微观尺度下的颗粒湍流相互作用
3.1 计算模型和参数
3.2 湍动能守恒方程
3.2.1 物理空间下的调制
3.2.2 颗粒局部的调制
3.2.3 谱空间下的调制
3.3 拟涡能守恒方程
3.4 颗粒雷诺数与湍流调制准则
3.5 两相流中小尺度湍流的特性
3.5.1 耗散率与拟涡能间歇性的相似性
3.5.2 耗散率和拟涡能空间分布的相似性
3.6 本章小结
4 无反应平板湍流边界层的直接数值模拟
4.1 边界层湍流的产生方法
4.2 湍流边界层的计算参数
4.3 结果与验证
4.4 本章小结
5 两相湍流燃烧边界层的直接数值模拟
5.1 工程背景及计算模型
5.2 火焰结构和湍流涡结构
5.3 燃烧模态
5.4 火焰湍流相互作用
5.5 火焰壁面作用
5.6 惰性颗粒在燃烧边界层中的运动
5.7 本章小结
6 数据驱动的大涡模拟亚网格应力模型
6.1 大涡模拟简介
6.2 数据准备
6.3 模型训练与先验分析
6.3.1 随机森林模型
6.3.2 神经网络模型
6.4 模型改进
6.5 后验分析
6.6 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 创新点
7.3 研究展望
参考文献
附录 A
附录 B
作者简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面散热对天然气柔和燃烧器NOx排放影响研究[J]. 徐瑞,朱子儒,陈卫杰,张环,熊燕. 当代化工. 2018(12)
[2]水平槽道内湍流变动的PTV实验研究[J]. 郭福水,王汉封,柳朝晖,郑楚光. 工程热物理学报. 2004(04)
博士论文
[1]气固流化床内流动特性和颗粒曳力的直接数值模拟研究[D]. 谭骏华.浙江大学 2017
[2]气固两相湍流边界层直接数值模拟研究[D]. 李栋.浙江大学 2016
[3]湍流边界层的直接数值模拟研究[D]. 韦安阳.浙江大学 2014
[4]多相流全尺度直接数值模拟方法及应用[D]. 王则力.浙江大学 2010
本文编号：3195611
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：207 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
术语表
1 绪论
1.1 两相湍流燃烧边界层的研究背景
1.2 边界层湍流研究概述
1.2.1 气相等温湍流边界层
1.2.2 气相非等温湍流边界层
1.2.3 两相湍流边界层
1.3 湍流调制研究概述
1.3.1 斯托克斯数
1.3.2 颗粒雷诺数
1.3.3 长度尺度
1.3.4 颗粒体积浓度
1.3.5 颗粒动量数
1.4 火焰壁面相互作用概述
1.4.1 层流火焰壁面相互作用
1.4.2 湍流火焰壁面相互作用
1.5 直接数值模拟与数据驱动建模
1.6 本文的主要研究内容
2 直接数值模拟方法
2.1 连续相控制方程
2.1.1 不可压形式
2.1.2 全可压形式
2.2 离散相控制方程
2.2.1 点源计算方法
2.2.2 全尺度内嵌边界模拟方法
2.3 本章小结
3 微观尺度下的颗粒湍流相互作用
3.1 计算模型和参数
3.2 湍动能守恒方程
3.2.1 物理空间下的调制
3.2.2 颗粒局部的调制
3.2.3 谱空间下的调制
3.3 拟涡能守恒方程
3.4 颗粒雷诺数与湍流调制准则
3.5 两相流中小尺度湍流的特性
3.5.1 耗散率与拟涡能间歇性的相似性
3.5.2 耗散率和拟涡能空间分布的相似性
3.6 本章小结
4 无反应平板湍流边界层的直接数值模拟
4.1 边界层湍流的产生方法
4.2 湍流边界层的计算参数
4.3 结果与验证
4.4 本章小结
5 两相湍流燃烧边界层的直接数值模拟
5.1 工程背景及计算模型
5.2 火焰结构和湍流涡结构
5.3 燃烧模态
5.4 火焰湍流相互作用
5.5 火焰壁面作用
5.6 惰性颗粒在燃烧边界层中的运动
5.7 本章小结
6 数据驱动的大涡模拟亚网格应力模型
6.1 大涡模拟简介
6.2 数据准备
6.3 模型训练与先验分析
6.3.1 随机森林模型
6.3.2 神经网络模型
6.4 模型改进
6.5 后验分析
6.6 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 创新点
7.3 研究展望
参考文献
附录 A
附录 B
作者简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面散热对天然气柔和燃烧器NOx排放影响研究[J]. 徐瑞,朱子儒,陈卫杰,张环,熊燕. 当代化工. 2018(12)
[2]水平槽道内湍流变动的PTV实验研究[J]. 郭福水,王汉封,柳朝晖,郑楚光. 工程热物理学报. 2004(04)
博士论文
[1]气固流化床内流动特性和颗粒曳力的直接数值模拟研究[D]. 谭骏华.浙江大学 2017
[2]气固两相湍流边界层直接数值模拟研究[D]. 李栋.浙江大学 2016
[3]湍流边界层的直接数值模拟研究[D]. 韦安阳.浙江大学 2014
[4]多相流全尺度直接数值模拟方法及应用[D]. 王则力.浙江大学 2010
本文编号：3195611
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