分子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)對(duì)燃燒火焰結(jié)構(gòu)的跨尺度影響研究.pdf

1、流體分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)使得分子在局部空間的分子數(shù)密度產(chǎn)生隨機(jī)脈動(dòng)，這種局部的流體分子聚集或疏離現(xiàn)象使得流體在較大時(shí)空尺度的壓力、運(yùn)動(dòng)等方面呈現(xiàn)出非規(guī)則的波動(dòng)現(xiàn)象，其中比較典型的是流體中微納顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。從單純的連續(xù)介質(zhì)流體運(yùn)動(dòng)而言，這種分子尺度的脈動(dòng)對(duì)宏觀尺度流場(chǎng)的跨尺度影響似乎并不顯著，但對(duì)于微納尺度和稀薄氣體等大Kn數(shù)的流動(dòng)仍產(chǎn)生了不可忽視的影響。燃燒作為一種自然現(xiàn)象普遍存在于自然界中，同時(shí)也是我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)中能量的主要

2、來(lái)源方式。從本質(zhì)上說(shuō)，燃燒是一種基于分子之間相互劇烈作用的化學(xué)反應(yīng)。顯然，這種基于分子尺度的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與流體分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的非均勻脈動(dòng)具有一致的時(shí)空尺度并相互耦合作用。那么，這兩種同處于分子尺度上的相互耦合作用過(guò)程是否會(huì)對(duì)宏觀尺度的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程和流場(chǎng)特性產(chǎn)生影響呢？目前基于連續(xù)介質(zhì)理論的燃燒理論對(duì)這一跨尺度效應(yīng)問(wèn)題并無(wú)研究。本文針對(duì)這一問(wèn)題，采用直接模擬方法，開(kāi)展燃燒過(guò)程中分子尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度火焰結(jié)構(gòu)的跨尺度效應(yīng)的影響研究。

3、r>　　首先根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)理論，針對(duì)流場(chǎng)中流體分子的局部聚集過(guò)程進(jìn)行理論分析，結(jié)合基于流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的N-S方程，建立了考慮分子尺度脈動(dòng)的跨尺度效應(yīng)的流動(dòng)與燃燒數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，借助OpenFOAM平臺(tái)，對(duì)穩(wěn)態(tài)層流射流燃燒和非穩(wěn)態(tài)混合層燃燒過(guò)程進(jìn)行了直接數(shù)值模擬研究。
　　研究表明:
　　(1)對(duì)于無(wú)反應(yīng)的冷態(tài)流動(dòng)而言，考慮跨尺度效應(yīng)的模擬結(jié)果和不考慮跨尺度效應(yīng)的模擬結(jié)果相比，雖然在流場(chǎng)由初始場(chǎng)向充分發(fā)展流場(chǎng)的轉(zhuǎn)變進(jìn)程

4、上略有不同，但是對(duì)于充分發(fā)展的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)而言基本一致，說(shuō)明分子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)定性并不會(huì)明顯改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)于流場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在平均效應(yīng)上;
　　(2)對(duì)于穩(wěn)態(tài)層流射流燃燒過(guò)程，考慮跨尺度效應(yīng)的模擬結(jié)果與不考慮跨尺度效應(yīng)的模擬結(jié)果在大尺度的結(jié)構(gòu)上基本一致，但是在微尺度方面考慮跨尺度效應(yīng)的溫度和組分濃度等空間分布等值線不像沒(méi)考慮跨尺度效應(yīng)的那么光滑，等值線出現(xiàn)了一定的波動(dòng)現(xiàn)象，這種波動(dòng)現(xiàn)象與微尺度燃燒試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一致;