【正文】 湍流燃燒數(shù)值模擬 主 要 內(nèi) 容 湍流燃燒認(rèn)識(shí) 湍流燃燒模型 Fluent軟件中的湍流燃燒模擬 第一部分 湍流燃燒認(rèn)識(shí) 在能源、動(dòng)力、航空和航天等工程領(lǐng)域，經(jīng)常遇到的實(shí)際燃燒過程幾乎全部都是湍流燃燒過程 . 在湍流燃燒中，湍流流動(dòng)過程和化學(xué)反應(yīng)過程有強(qiáng)烈的相互關(guān)聯(lián)和相互影響。 湍流燃燒的認(rèn)識(shí) ? 湍流通過強(qiáng)化混合而影響著時(shí)平均化學(xué)反應(yīng)速率，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)放熱過程又影響著湍流，如何定量地來描述和確定這種相互作用是湍流燃燒研究的一個(gè)重要內(nèi)容 . 。 湍流燃燒的認(rèn)識(shí) ? 組份方程和能量方程中的源項(xiàng)是化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng) ； ? 化學(xué)反應(yīng)中組份的生成 (消耗 )率或能量的釋放速率是反應(yīng)物濃度和反應(yīng)流體溫度的 強(qiáng)非線性函數(shù) ； ? 由于湍流影響，化學(xué)反應(yīng)中組份濃度和溫度以及化學(xué)反應(yīng)速率都是隨時(shí)間而脈動(dòng)的，因此在湍流燃燒的數(shù)值模擬中，不僅面臨著湍流流動(dòng)所具有的問題以及脈動(dòng)標(biāo)量的輸運(yùn)方程如何處理的問題，還面臨著湍流燃燒所特有的，與脈動(dòng)量呈確定的強(qiáng)非線性函數(shù)關(guān)系的脈動(dòng)標(biāo)量即時(shí)平均化學(xué)反應(yīng)速率的模擬。 ? 湍流燃燒模擬最基本的問題是反應(yīng)速率的時(shí)均值不等于用時(shí)平均值表達(dá)的反應(yīng)速率 . 火焰正常傳播 其中：Ｕ p為火焰前沿法向移動(dòng)的分速度； Ｕ n為可燃混氣在火焰前沿法向移動(dòng)的分速度。 火焰?zhèn)鞑ニ俣? 火焰?zhèn)鞑ニ俣? ??? ddnnimuP ?????? 0?npL uuS ??其中： up為火焰前沿法向移動(dòng)的分速度； un為可燃混氣在火焰前沿法向移動(dòng)的分速度。 如果火焰?zhèn)鞑ニ俣群涂扇蓟鞖獾牧鲃?dòng)速度方向一致，取負(fù)號(hào)，反之，取正號(hào)。 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋夯鹧嫦鄬?duì)于無窮遠(yuǎn)處的未燃混合氣在其法線方向上的速度 湍流火焰研究方法 ? 一類為經(jīng)典的湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚摚ò櫿蹖恿骰鹧娴谋砻嫒紵碚撆c微擴(kuò)散的容積燃燒理論。 ? 另一類是湍流燃燒模型方法，是以計(jì)算湍流燃燒速率為目標(biāo)的湍流擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒的物理模型，包括幾率分布函數(shù)輸運(yùn)方程模型和 ESCIMO湍流燃燒理論。 分布函數(shù) P(f)的概念 )()( tfdffP ?間隔 t的時(shí)間分?jǐn)?shù)，即幾率。 ），（ dfff ?處在 范圍內(nèi)的時(shí)間 在空間任何一點(diǎn)上混合物分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)分布 ,其中混合分?jǐn)?shù)是由于瞬態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù) f隨時(shí)間脈動(dòng)而形成的 。 也稱為瞬態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù) f的幾率分布密度，簡(jiǎn)寫為 PDF ? 幾率 產(chǎn)生某個(gè)值的可能性 RosinRammler分布 () noiddRe??此處 R表示滴徑大于 doi的液滴重量占液滴總重量的百分?jǐn)?shù) 第二部分 湍流燃燒模型 湍流燃燒唯象模型 ? 旋渦破碎模型（ eddybreakup model) ? 拉切滑模型 (stretchcutandslide model) ? 幾率密度函數(shù)的輸運(yùn)方程模型 Spalding的 ESCIMO湍流燃燒理論 旋渦破碎模型 (EBU) ? EddyBreakup (EBU) 基本思想 在湍流燃燒區(qū)充滿了已燃?xì)鈭F(tuán)和未燃?xì)鈭F(tuán)，化學(xué)反應(yīng)在這兩種氣團(tuán)的交界面上發(fā)生，認(rèn)為平均化學(xué)反應(yīng)率決定于末燃?xì)鈭F(tuán)在湍流作用下破碎成更小氣團(tuán)的速率，而破碎速率與湍流脈動(dòng)動(dòng)能的衰變速率成正比。 ~/fuRk?基本思想 (Spalding, 1976 ) 把湍流燃燒區(qū)考慮成充滿末燃?xì)鈭F(tuán)和已燃?xì)鈭F(tuán)；氣團(tuán)在湍流的作用下受到拉伸和切割，重新組合，不均勻性尺度下降；在未燃?xì)夂鸵讶細(xì)饨缑嫔洗嬖谥B續(xù)的火焰面，它以層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认蚰┤疾糠謧鞑ァ? 拉切滑模型 (stretchcutandslide model) 氣團(tuán)尺度的變化過程 考慮一個(gè)單位厚度的流體塊，設(shè)其中每層流體塊的平均厚度為 δ，則該流體塊中一共有1/δ層流體。在湍流作用下各層流體的厚度不斷減小，流體塊內(nèi)的流體層數(shù)不斷增加。 ESCIMO理論 E， engulfment：卷吞 ， 描述在大尺度湍流作用下 ， 一種流體被另一種流體卷吞的過程 。 S， stretching：拉伸 ， 描述迭在一起的流體層長(zhǎng)度增加 、 厚度減小的過程 。 C， coherence：粘附 ， 描述流體層不愿分離的一種趨勢(shì) ， 認(rèn)為兩層流體一旦由于卷吞碰到一起 ， 那么在傳輸 、 拉伸和化學(xué)反應(yīng)的過程中都不會(huì)分開 ， 它們互相粘附在一起 。 I， interdiffusion和化學(xué)上的 interaction：相互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng) ， 描述在流體層受拉伸的過程中 ， 發(fā)生在流體層內(nèi)部及其交界面上的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng) 。 MO， moving observer：運(yùn)動(dòng)觀察者 ， 意味著為了描述相互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng) ， 把坐標(biāo)系取在流體層上 ， 與流體一起運(yùn)動(dòng) 。 ? 以上模型是從唯象的角度 (如擬序結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及渦的輸運(yùn)和破碎 )來考察湍流燃燒過程。 ? 但從研究湍流燃燒的角度看，更為合理的是基于流體力學(xué)的角度。 湍流燃燒氣相模型 ? Generalized FiniteRate Model(通用有限速率模型 ) ? NonPremixed Combustion Model（非預(yù)混燃燒模型） ? Premixed Combustion Model（預(yù)混燃燒模型） ? Partially Premixed Combustion Model(部分預(yù)混燃燒模型 ) ? Composition PDF Transport Combustion Model（組分概率密度輸運(yùn)燃燒模型） 有限速率模型 ? Chemical reaction process described using global mechanism. ? Transport equations for species are solved. ? These equations predict local timeaveraged mass fraction, mj , of each species. ? Source term (production or consumption) for species j is reaction rate over all k reactions in mechanism: ? Rjk (rate of production/consumption of species j in reaction k) is puted to be the smaller of the Arrhenius rate and the mixing or “eddy breakup” rate. ? Mixing rate related to eddy lifetime, k /?. ? Physical meaning is that reaction is limited by the rate at which turbulence can mix species (nonpremi