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湍流扩散燃烧中守恒标量的数值模拟

辛升  
【摘要】:湍流燃烧是计算燃烧学研究的重要领域,湍流燃烧的数值模拟是研究湍流燃烧的重要手段。在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互作用。湍流通过强化混合来影响着化学反应速率,同时化学反应的放热过程又影响着湍流。如何定量地描述和确定这种相互作用是湍流燃烧数值模拟研究的一个重要内容。 目前流行的湍流扩散燃烧模型有概率密度函数输运方程模拟(PDF)、条件矩模拟(CMC)、层流小火焰模型等。这些模型都有一个基础概念—守恒标量,在湍流扩散燃烧中就是混合分数,当作主要参数来描述湍流扩散燃烧中反应物的混合状态。 对标量输运的数值模拟,大部分是从湍流的k-ε双方程粘性系数模型的基础上演变而来的,由于k-ε双方程模型中Boussinesq假设的前提,它们构成的湍流粘性系数无法体现出湍流输运的各向异性,使得标量的输运、脉动以及耗散等各个方面都是按照各向同性计算的,这与实际湍流燃烧中标量的输运、脉动以及耗散的各向异性存在矛盾,尤其是在分离流动、大曲率的流动、有旋流的流动等情况下,而在这些流动中k—ε双方程模型都不能很好地预测。因此本研究采用二阶的雷诺应力方程模型对守恒标量进行数值模拟,以期得到更精确的预报值。 对于燃烧模型,针对化学反应和湍流流动之间的相互作用,采用湍流燃烧的简化PDF-局部瞬时平衡模型,它可以比较合理地预报复杂的多组分扩散燃烧,因而能够为标量模拟提供较好的基础。 应用二阶矩-PDF以及标量输运模型对钝体射流的湍流扩散燃烧中的标量进行了数值模拟,并把模拟结果与美国Sandia国家实验室的实验数据相比较,结果比较吻合。由此可见,二阶矩的模型能较好地模拟湍流扩散燃烧中的标量,能提高燃烧模型的模拟精度。


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