基于實時模擬信息反饋的湍流擴(kuò)散火焰數(shù)值模擬研究.pdf

1、本質(zhì)上來說，火災(zāi)是一種湍流燃燒現(xiàn)象。湍流燃燒的核心問題是研究湍流混合與復(fù)雜化學(xué)在多個時間-空間尺度上的相互作用關(guān)系。研究湍流混合與復(fù)雜化學(xué)的相互作用機(jī)理，有助于對火災(zāi)動力學(xué)更深層次的理解，有助于特殊工況下火災(zāi)模型的開發(fā)。
　　研究湍流混合與復(fù)雜化學(xué)相互作用關(guān)系，首先需要海量的、包含耗散尺度湍流信息的反應(yīng)流數(shù)據(jù)。本文采用一維湍流模型(ODT)來獲取高保真數(shù)據(jù)集。ODT模型能夠分辨Kolmogorov尺度上的湍流脈動信息，在耦合復(fù)雜化

2、學(xué)計算時比多維直接模擬的計算代價要低得多。由于化學(xué)反應(yīng)流是典型的變密度流，本文在原始ODT程序的基礎(chǔ)上，綜合考慮多維速度分量及密度變化對隨機(jī)渦事件的影響，開發(fā)了變密度版ODT程序，并通過與實驗值對比驗證了變密度ODT程序的有效性?？煞直婧纳⒊叨韧牧餍畔⒌母呔萇DT數(shù)值平臺，為進(jìn)一步分析湍流-化學(xué)相互作用關(guān)系和構(gòu)建經(jīng)驗低維流形提供了健壯的數(shù)據(jù)庫。
　　研究湍流混合與復(fù)雜化學(xué)相互作用關(guān)系，還需要高效的、精準(zhǔn)的反應(yīng)流數(shù)據(jù)分析方法。本文

3、構(gòu)建了基于擴(kuò)展定義的Damk(o)hler數(shù)和拉格朗日示蹤方法的高精度計算燃燒分析平臺，從時間尺度關(guān)系出發(fā)，解耦湍流混合與化學(xué)反應(yīng)的相互作用關(guān)系。本文應(yīng)用ODT程序數(shù)值模擬了CO合成氣湍流擴(kuò)散燃燒過程，結(jié)合化學(xué)爆炸模式分析(CEMA)理論，建立了基于Damk(o)hler數(shù)的湍流擴(kuò)散火焰局部熄火重燃情節(jié)分析方法。結(jié)果顯示，熄火區(qū)可以由大的、負(fù)的Damk(o)hler數(shù)表示。此外，本文還從時間演化角度對拉格朗日示蹤單元的爆炸指數(shù)(EI)進(jìn)

4、行了深入討論。通過對熄火持續(xù)時間的區(qū)分，定義了兩種不同的湍流擴(kuò)散火焰局部熄火情節(jié)。通過對重燃過程爆炸指數(shù)的分析，定義了兩種不同的湍流擴(kuò)散火焰重燃機(jī)理:預(yù)混火焰?zhèn)鞑ブ厝记楣?jié)對應(yīng)著較長時間的預(yù)熱過程及較高的溫度爆炸指數(shù)，且重燃過程相對緩慢;獨(dú)立火焰面的重燃情節(jié)對應(yīng)著較高的自由基爆炸指數(shù)和較小的溫度梯度，且重燃過程相對較快。
　　分析是為了更加準(zhǔn)確、高效的模擬湍流燃燒現(xiàn)象。在不同的湍流擴(kuò)散燃燒區(qū)內(nèi)，主導(dǎo)因素差異巨大，這也對反應(yīng)源項的封閉

5、模型產(chǎn)生不同的要求。因此，本文提出基于實時模擬信息反饋的湍流擴(kuò)散火焰模擬方法。該方法利用實時模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并反饋診斷信息到主程序的計算中;在積分反應(yīng)源項時，根據(jù)分析的結(jié)果選擇合適的模型進(jìn)行封閉。實時反饋的信息為局部Damk(o)hler數(shù)，可由化學(xué)爆炸模式分析(CEMA)和局部標(biāo)量耗散率得到。依據(jù)反饋的Damk(o)hler數(shù)，可以確定具體的湍流擴(kuò)散火焰燃燒區(qū)，進(jìn)而根據(jù)各個燃燒區(qū)的特點選擇恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)源項封閉模型:位于火焰面燃燒區(qū)時（

6、Da≥DaLFA），可以使用基于化學(xué)制表的穩(wěn)態(tài)層流火焰面模型進(jìn)行封閉;位于熄火區(qū)時（Da≤1），此時采用基于Arrhenius方程的有限速率模型進(jìn)行封閉;位于非穩(wěn)態(tài)燃燒區(qū)時（1＜Da＜DaLFA），化學(xué)時間尺度相對于混合時間尺度來說是不能忽略的，火焰面模型也不再適用。本文在ODT程序的基礎(chǔ)上嵌入了基于實時模擬信息反饋的模擬程序，并通過與原始ODT程序結(jié)果及實驗值的對比，驗證了基于實時信息反饋混合封閉模型的正確性。
　　隨后，本文又

7、從湍流燃燒低維流形理論的角度對混合封閉模型進(jìn)行了優(yōu)化。本質(zhì)上說，層流火焰面模型是一類基于假設(shè)條件的低維流形。本文摒棄了這種不利的前提條件，直接從高保真的模擬數(shù)據(jù)出發(fā)，構(gòu)建了經(jīng)驗流形來替代穩(wěn)態(tài)層流火焰面模型。由于直接來源于燃燒數(shù)據(jù)的分析，使得經(jīng)驗流形也能夠?qū)Ψ欠€(wěn)態(tài)湍流燃燒區(qū)進(jìn)行封閉;也使得基于經(jīng)驗流形的混合封閉模型對自由基組分的預(yù)測精度大大提高。此外，在構(gòu)建經(jīng)驗流形時可以使用單次ODT模擬數(shù)據(jù)，且構(gòu)建的經(jīng)驗流形對射流雷諾數(shù)、臨界Damk(