火焰面-反應(yīng)進度變量湍流燃燒模型的研究.pdf

1、由于燃燒在當(dāng)今能源生產(chǎn)和動力產(chǎn)生方面的基礎(chǔ)性作用，對燃燒現(xiàn)象和本質(zhì)的研究始終是熱能領(lǐng)域研究人員關(guān)注的焦點。自20世紀(jì)70年代以來的40多年里，燃燒學(xué)與湍流理論、多相流體力學(xué)、輻射傳熱學(xué)、復(fù)雜反應(yīng)的化學(xué)動力學(xué)和數(shù)值計算等學(xué)科的發(fā)展相互滲透、相互促進，促成了計算燃燒學(xué)在燃燒領(lǐng)域成為與理論分析和實驗研究同等重要的一個獨具風(fēng)格的科學(xué)分支?；鹧婷婺Ｐ妥鳛槠渲凶钣写硇缘哪Ｐ椭唬ㄟ^將湍流火焰結(jié)構(gòu)與一維層流火焰結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，在一定程度上實現(xiàn)了流動和

2、化學(xué)反應(yīng)之間的解耦，從而在計算量較少的情況下較好的預(yù)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(chǔ)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(fù)雜燃燒問題進行描述。各火焰面模型的準(zhǔn)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(jié)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(xué)領(lǐng)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(rèn)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(biāo)量描述化學(xué)反應(yīng)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(gòu)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(biāo)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(zhǔn)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(yù)混/擴散火焰作為典型算例進行模擬。結(jié)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(zhǔn)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(biāo)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?jǐn)?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(chǔ)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(jié)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(jié)果準(zhǔn)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(biāo)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(jié)，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