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湍流化学反应的分形数值模拟

王艳飞  
【摘要】: 本文针对湍流化学反应的数值模拟,基于湍流涡串唯象概念和分形理论的物理基础,建立了化学反应速率的分形模拟模型(Fractal Model)。为实现模拟,对ANSYS-CFX软件进行了二次开发,利用该软件的用户子程序接口,编写了分形模拟的子程序并将其嵌入ANSYS-CFX软件。首先对大空间建筑地下通道进行模拟,探讨了烟气的运动规律;在此基础上,嵌入FM模型对燃烧罐内燃烧进行了模拟,定性验证FM燃烧模型;再次,利用国际公认的Steckler室内燃烧实验数据进一步验证了FM燃烧模型,亦对FM与EBU、EDC等多种燃烧模型进行了比较分析。主要工作和成果如下: (1)基于湍流涡旋串级分裂的分形理论,建立了能够表达湍流多尺度结构物理特性的分形湍流化学反应模型FM。 (2)利用Visual Fortran程序编辑器进行子程序的编译工作,调用CFX中的cfx5mkext命令使自行编制的子程序与软件连接。将FM模型嵌入ANSYS-CFX软件,进行FM燃烧模型的模拟计算。 (3)在地下通道的烟气运动规律的模拟中,采用浮力修正的双方程k-ε湍流模型、Rosseland辐射模型、以高温热源、烟气组分源项来模拟火源,模拟了三维非稳态的燃烧烟气流动与传导、对流和辐射的复合传热过程。分析了燃烧条件下的流动、热及烟气的传递规律,并对燃烧条件下由于密度变化引起的扼流效应、浮力效应进行了分析。为进一步模拟研究提供基础。 (4)在燃烧罐燃烧的模拟中,采用浮力修正的双方程k-ε湍流模型、Rosseland辐射模型、进行了EBU、FM两种燃烧模型的模拟。定性地对比了两种燃烧模型的模拟结果,从EBU、FM两种燃烧模型模拟的流场分布情况来看,FM燃烧模型显示出更多的湍流小尺度涡团。 (5)在Steckler室内燃烧的模拟中,进行了EBU、FM两种燃烧模型的模拟,并将模拟结果与文献中的其它燃烧模型的模拟结果进行了对比评价。 (6)对EBU、FM、EDC、PrePDF、VHS五种燃烧模型的模拟分析表明FM湍流化学反应的分形模拟模型与EDC燃烧模型的计算结果与实验数据吻合的较好,FM模型的物理描述要更为精细,能够更好地刻画湍流—反应的相互作用,是一种很有前途的湍流化学反应模型。 (7)后期工作:综合考虑采用图像解析流速测量PIV、PLIF方法获得湍流化学反应的多尺度特征与涡团的结构特征,为进一步的应用提供理论和观测基础。


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