大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動和質(zhì)量彌散的數(shù)值研究.pdf

1、隨著人類邁入21世紀，資源和環(huán)境的問題愈加突出。基于氣體或液體燃料在大孔隙率多孔介質(zhì)中燃燒的過濾燃燒技術(shù)在高效、節(jié)能和凈化諸方面都顯示出誘人的前景，加之多孔介質(zhì)材料和技術(shù)的進展，而日益引起人們的研究興趣，并已在工程實際中獲得越來越多的應(yīng)用。本文以多孔介質(zhì)燃燒器和多孔介質(zhì)發(fā)動機為研究背景，通過數(shù)值模擬研究了大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動與組分輸運過程，主要目的是更系統(tǒng)深入地理解多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動和混合氣的形成過程的特點及規(guī)律，并進一步推動該領(lǐng)

2、域的理論研究及其實際應(yīng)用。 本文主要在下列幾方面進行了研究與探索： 1、在眾多的多孔介質(zhì)湍流模型中，對具有代表性的三種模型進行了較全面的介紹與分析，并針對內(nèi)部置入多孔介質(zhì)的長方形管道內(nèi)的湍流流場，利用主要的兩種宏觀湍流模型進行了數(shù)值研究。與實驗結(jié)果進行比較和分析后發(fā)現(xiàn)，A-L湍流模型對湍流的抑制作用略大一些。 2、為了深入研究大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)的湍流特性對多孔介質(zhì)內(nèi)輸運和燃燒過程的重要影響，建立了多孔介質(zhì)的一種二

3、維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。此模型由一系列的圓形孔隙體和長方形喉道互相連接而成。使用標準k-ε模型模擬孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的微觀流場，利用體積平均方法將微觀流場計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為宏觀流場的信息，從而確定了宏觀湍流模型中修正項系數(shù)的值。與相關(guān)文獻比較和分析顯示吻合良好。 3、為考察氣缸內(nèi)加入多孔介質(zhì)蓄熱體后對燃燒室內(nèi)湍流流場及混合氣形成的影響，對模擬內(nèi)燃機氣缸的一個圓柱狀多孔介質(zhì)燃燒室進行了數(shù)值研究。建立了四種多孔介質(zhì)簡化結(jié)構(gòu)模型，詳細研究了多孔介質(zhì)內(nèi)湍流

4、流動和噴霧油束與多孔介質(zhì)的相互作用，對能量方程和油滴碰壁模型進行了修正。著重分析了多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)、多孔介質(zhì)孔隙率、噴射壓力和噴霧錐角對燃燒室內(nèi)湍流流場、混合氣形成和均勻化過程的影響。 研究表明多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)和孔隙率對多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動的影響很大，從而影響整個區(qū)域的湍流流場。噴霧錐角的大小直接影響到自由流體區(qū)域湍動能水平和噴霧油束與多孔介質(zhì)相互作用過程，以及多孔介質(zhì)內(nèi)湍動能水平和流場。而噴射壓力對噴霧油束與多孔介質(zhì)相互作用和湍流流場的

5、影響，主要是通過改變油滴運動速度而得以實現(xiàn)。噴射壓力增大，油滴運動速度得以增加，湍能水平也相應(yīng)增加。油蒸汽的分布更加均勻、更加廣闊。 4、大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)流動和燃燒問題的一大難點是同時存在時間上的湍流脈動和空間上的擾動即彌散。彌散是由于介質(zhì)中數(shù)量巨大而形狀又極不規(guī)則的微孔對流體流動產(chǎn)生強烈擾動而引起的一種輸運現(xiàn)象。利用由圓柱形單元的周期性陣列作為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)簡化模型，對甲烷和空氣在多孔介質(zhì)中擴散過程進行了數(shù)值研究，利用微觀流場