基于實(shí)時(shí)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(lái)說(shuō)，火災(zāi)是一種湍流燃燒現(xiàn)象。湍流燃燒的核心問(wèn)題是研究湍流混合與復(fù)雜化學(xué)在多個(gè)時(shí)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(duì)火災(zāi)動(dòng)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(lái)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(dòng)信息，在耦合復(fù)雜化

2、學(xué)計(jì)算時(shí)比多維直接模擬的計(jì)算代價(jià)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(duì)隨機(jī)渦事件的影響，開發(fā)了變密度版ODT程序，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比驗(yàn)證了變密度ODT程序的有效性。可分辨耗散尺度湍流信息的高精度ODT數(shù)值平臺(tái)，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(yàn)低維流形提供了健壯的數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　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(jì)算燃燒分析平臺(tái)，從時(shí)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(guò)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(shí)間演化角度對(duì)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(guò)對(duì)熄火持續(xù)時(shí)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(guò)對(duì)重燃過(guò)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(duì)應(yīng)著較長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)熱過(guò)程及較高的溫度爆炸指數(shù)，且重燃過(guò)程相對(duì)緩慢;獨(dú)立火焰面的重燃情節(jié)對(duì)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(guò)程相對(duì)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(duì)反應(yīng)源項(xiàng)的封閉

5、模型產(chǎn)生不同的要求。因此，本文提出基于實(shí)時(shí)模擬信息反饋的湍流擴(kuò)散火焰模擬方法。該方法利用實(shí)時(shí)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并反饋診斷信息到主程序的計(jì)算中;在積分反應(yīng)源項(xiàng)時(shí)，根據(jù)分析的結(jié)果選擇合適的模型進(jìn)行封閉。實(shí)時(shí)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(gè)燃燒區(qū)的特點(diǎn)選擇恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)源項(xiàng)封閉模型:位于火焰面燃燒區(qū)時(shí)（

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(shí)（Da≤1），此時(shí)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(shí)（1＜Da＜DaLFA），化學(xué)時(shí)間尺度相對(duì)于混合時(shí)間尺度來(lái)說(shuō)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(shí)時(shí)模擬信息反饋的模擬程序，并通過(guò)與原始ODT程序結(jié)果及實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，驗(yàn)證了基于實(shí)時(shí)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(duì)混合封閉模型進(jìn)行了優(yōu)化。本質(zhì)上說(shuō)，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(yàn)流形來(lái)替代穩(wěn)態(tài)層流火焰面模型。由于直接來(lái)源于燃燒數(shù)據(jù)的分析，使得經(jīng)驗(yàn)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(yàn)流形的混合封閉模型對(duì)自由基組分的預(yù)測(cè)精度大大提高。此外，在構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)流形時(shí)可以使用單次ODT模擬數(shù)據(jù)，且構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)流形對(duì)射流雷諾數(shù)、臨界Damk(