火焰面-反應進度變量湍流燃燒模型的研究.pdf

1、由于燃燒在當今能源生產(chǎn)和動力產(chǎn)生方面的基礎性作用，對燃燒現(xiàn)象和本質(zhì)的研究始終是熱能領域研究人員關注的焦點。自20世紀70年代以來的40多年里，燃燒學與湍流理論、多相流體力學、輻射傳熱學、復雜反應的化學動力學和數(shù)值計算等學科的發(fā)展相互滲透、相互促進，促成了計算燃燒學在燃燒領域成為與理論分析和實驗研究同等重要的一個獨具風格的科學分支。火焰面模型作為其中最有代表性的模型之一，通過將湍流火焰結構與一維層流火焰結構相聯(lián)系，在一定程度上實現(xiàn)了流動和

2、化學反應之間的解耦，從而在計算量較少的情況下較好的預測各燃燒現(xiàn)象。研究人員在最早提出的穩(wěn)態(tài)火焰面模型基礎上，發(fā)展了包括非穩(wěn)態(tài)火焰面模型、雙參數(shù)火焰面模型等一系列新的火焰面模型，以期對點火、局部熄火、污染物生成等復雜燃燒問題進行描述。各火焰面模型的準確性和適用性，以及改進的具體方法值得深入研究。本文針對目前較為先進的雙參數(shù)火焰面模型，對其求解流程各個環(huán)節(jié)中的細節(jié)進行深入分析研究，結合開源軟件OpenFOAM開發(fā)了完整的基于RANS的雙參數(shù)

3、火焰面方法求解器。
　　 本文首先概述計算燃燒學領域目前最廣泛使用的幾種模型，指出不同模型對燃燒問題的認識思路、求解方法，討論了各模型的區(qū)別、聯(lián)系和優(yōu)劣。著重詳細介紹了以FPV、FPI和FGM為代表的雙參數(shù)火焰面方法，對各雙參數(shù)火焰面方法采用個別特征標量描述化學反應系統(tǒng)的理論出發(fā)點和具體模型思路進行了對比分析，探討了其在理論根源上的相似性。本文還對OpenFOAM軟件的開源架構及而向?qū)ο蟮腃FD編程思路進行了簡要的介紹。

4、　　 本文接著從雙參數(shù)火焰面方法的層流火焰面數(shù)據(jù)庫建立入手，詳細分析了完整的火焰面方程，探討了層流火焰面數(shù)據(jù)庫在不同特征標量空間中的特點。為了檢驗雙參數(shù)火焰面模型對燃燒問題求解的可行性和準確性，本文開發(fā)了層流雙參數(shù)火焰面方法求解器ZCLaminarFoam，并選用二維層流部分預混/擴散火焰作為典型算例進行模擬。結果表明，本文開發(fā)的程序穩(wěn)定性較好，可以對層流問題進行比較準確的描述。
　　 統(tǒng)計平均是各火焰面方法用于于湍流燃燒求解

5、的重要環(huán)節(jié)之一，將層流火焰面數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計平均，得到由平均查表特征量檢索的湍流火焰面平均值數(shù)據(jù)庫，在實際算例求解時即可查表直接給出各標量值。本文對假定概率密度方法進行了詳細分析，討論了混合物分數(shù)β分布的形態(tài)，重點對比了目前存在的各種β分布奇點處理方法，并提出了新的方法，較現(xiàn)有方法有較大優(yōu)勢。
　　 根據(jù)對層流火焰面數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計平均的細致分析，在ZCLaminarFoam求解器的基礎上開發(fā)了基于RANS計算的湍流燃燒雙參數(shù)火焰面模

6、型求解器。對典型湍流射流Sandia D、E火焰進行了模擬，與實驗結果比較表明該模型在求解該類問題上的適用性，討論了影響計算結果準確度的因素，提出了模型進一步發(fā)展亟需解決的重點問題。另外，考察了計算中對湍流火焰面平均值數(shù)據(jù)庫的查詢情況，對實際火焰中查表特征標量的范圍、S形曲線中不同燃燒狀態(tài)的火焰面數(shù)據(jù)庫的調(diào)用情況進行了分析。
　　 本文最后對本研究的主要內(nèi)容進行了總結，指出了基于RANS計算的雙參數(shù)火焰面方法用于湍流燃燒計算需要