CFD-DSMC耦合法在微尺度氣體流動(dòng)與燃燒中的應(yīng)用.pdf

1、減少燃燒過(guò)程中的污染物排放、提高燃燒效率是當(dāng)前燃燒領(lǐng)域研究的兩大課題。在眾多新型先進(jìn)的燃燒技術(shù)中，多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)在近二十年的學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，成為可望解決上述兩大問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。國(guó)內(nèi)外迄今為止對(duì)過(guò)濾燃燒的研究，盡管已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展和可喜的成果，仍存在諸多問(wèn)題和空白領(lǐng)域，特別對(duì)于基礎(chǔ)性的科學(xué)問(wèn)題，有待深入研究和探明。其研究方法，由宏觀到微觀可歸納為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法、直接模擬蒙特卡洛(DSMC)方法以及分

2、子動(dòng)力學(xué)(MD)方法等。已有研究資料表明，采用單一方法很難在計(jì)算資源有限的情況下，兼顧相對(duì)宏觀的流場(chǎng)與局部的微觀效應(yīng)，因此本文就微尺度條件下的氣體流動(dòng)與燃燒等特性，在CFD方法和DSMC方法耦合的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值研究，以期增強(qiáng)對(duì)多孔介質(zhì)局部范圍內(nèi)流動(dòng)、燃燒等現(xiàn)象的了解，對(duì)諸如醫(yī)藥、化工、生物、航空航天等其他領(lǐng)域的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件的設(shè)計(jì)與研發(fā)亦有所啟發(fā)。
　　本文首先應(yīng)用CFD/DSMC耦合迭代的算法，結(jié)合平滑與粗糙兩種壁面

3、邊界條件，對(duì)寬50μm，假定無(wú)限長(zhǎng)的微型管道內(nèi)的氣體流動(dòng)與傳熱進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn):在本文所設(shè)定算例中，與采用單純的CFD方法相比，采用耦合算法得到的速度場(chǎng)，因存在速度的滑移現(xiàn)象，在近壁面處呈現(xiàn)較大的差異，并影響到其核心流域的流場(chǎng)，并隨著壁面“粗糙”程度增大，核心流域速度越小;管內(nèi)溫度分布在耦合前后沒(méi)有太大差異，但核心流域溫度隨著壁面“粗糙”程度的增高而降低;在近壁面處，耦合所得結(jié)果存在著溫度跳躍的現(xiàn)象。然后，在考慮化學(xué)反應(yīng)的情況下，引入

4、H2/O26組分7步可逆基元燃燒反應(yīng)機(jī)理，同樣地，采用CFD/DSMC耦合迭代的算法對(duì)長(zhǎng)25μm，前10μm為漸縮管后15μm為直管的管道內(nèi)的氫氧燃燒反應(yīng)、流動(dòng)與傳熱特性以及組分輸運(yùn)等進(jìn)行模擬研究。其結(jié)果表明:在入口速度設(shè)定為50m/s的情況下，使用DS2V更新Fluent邊界上的數(shù)據(jù)后，模擬所得結(jié)果與壁面滑移速度存在著很大的關(guān)聯(lián)性。此時(shí)壁面滑移速度的影響超過(guò)壁面溫度突躍的影響，在滑移速度大的區(qū)域，生成物的各組分含量較少，而在滑移速度小