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5 湍流燃烧模型.ppt

5 湍流燃烧模型

lushaoyuan8
2013-01-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《5 湍流燃烧模型ppt》,可适用于工程科技领域

§湍流燃烧模型§湍流燃烧模型湍流与气相的均相反应以及固相反应之间有强烈的相互作用反应可以通过放热引起的密度变化而影响湍流反之湍流通过加强反应物与产物的混合而影响燃烧一般说来层流流动中反应取决于分子水平上的混合而湍流中的反应率则同时受到湍流混合、分子输运和化学动力学三个方面的影响。正因如此目前尚未有普遍适用的湍流燃烧过程中的平均化学的反应速率的模型公式简单化学反应系统和混合分数简单化学反应系统和混合分数简单化学反应系统燃烧设备运行中注重的往往是燃烧的热效应绕过化学反应详细机制化学反应可以用燃料、氧化物和产物之间的单步不可逆反反应来表征各组分的湍流扩散系数彼此相等并且等于总焓的扩散系数这意味着Le数等于各组分的比热彼此相等与温度无关。考虑一个简单的扩散燃烧反应:考虑一个简单的扩散燃烧反应:千克燃料S千克氧化剂→(S)千克产物式中S是完全燃烧千克燃料在理论上所需氧化剂的重量简称为燃烧及氧化剂的当量化显然它与燃料和氧化剂的种类有关而与化学反应流动状态无关。构成简单化学的反应系统的组分主要是燃料、氧化剂和产物知道了这三种组分中的任意二种组分的质量分数第三种组分的浓度就可以利用所有组分质量分数之和等于求出一般地组分分布需要通过求解两个以平均化学反应率为源项和耦合的二阶非线性偏微分方程在简单化学反应系统的假设下通过引入如下定义的质量分数简化()式中(及分别为燃料及氧化剂的质量分数的时均值)就可以将确定组分质量分布转变为只需求解一个有源方程和一个无源方程(的方程)就够了。又因为混合分数的方程对其瞬时值也同样成立即()那么对可以认为燃料和氧化剂的瞬时值在空间不共存的扩散火焰来说如果已知时均值则可以确定各组分质量分数的瞬时值:如果则如果则如果则。时均值及其脉动均方值的输送方程形式分别为()()式中满足无源守恒方程的量能常称为守恒量一定条件下守恒量之间存在着特别简单的定量关系利用此关系在知道了一个守恒量的空间分布之后根据边界值十分方便地确定其他守恒量的空间分布湍流扩散火焰模型湍流扩散火焰模型扩散火焰的特点是化学反应速率大大超过了燃料和氧化剂之间混合的速度快速反应模型(即化学反应速率大大超过混合速率)对层流扩散火焰完全适用对湍流扩散火焰则只适用于燃料和氧化物的瞬时值而非其时均值分析湍流扩散火焰必须考虑湍流脉动基于此Spalding提出了湍流扩散火焰的模型()用模型模化湍流输运作用()假设快速反应模型成立()建立以为固变量的控制方程()求解和。假设f的概率密度函数P(f)把f表示成、及P(f)的函数。通过解方程及、g的控制方程得到和g关键是确定f以及各种化学热力学参数的平均值和脉动均方值为此引入概率密度分布函数图概率密度函数对于在与之间随时间脉动的随机混合物分数f(图)它在f到fdf区间内出现的概率可定义为P(f)df其中P(f)称为概率密度函数(PDF)。显然有()且f的时均值和脉动均方值应由下式确定()()对任何函数其时均值和脉动值方值是()()P(f)的确定P(f)的确定使用完整的PDF模型使用MonteCarlo方法求解PDF输运方程需要大量的计算机时间设定PDF称为简化的PDF模型图城墙式脉动的PDF城墙式脉动的PDF(图)是由Spalding首先提出的一种简化的PDF模型。该模型假定f只可能取两个值和。若设f等于的时间分数是则取的时间分数必然是或者说()当时有()()()()及g已在方程组中求解得到流场中任一位置处的和可由式()和()求得依据快速反应假设和守恒量之间的线性关系得到的公式算出相应的和根据式()、()求出各种化学热力学系数的平均值和脉动均方值()()除了城墙式脉动的PDF外其它形式的PDF如截尾正态分布的PDF也得到广泛应用但其计算时间远远超过城墙式分布的PDF所需时间且两种分布在计算湍流扩散火焰时结果几乎相同。上述模型仅适用于双组分反应的简单情况对于更复杂的扩散燃烧例如多组分及多于单步反应的煤的挥发分燃烧Smoot等人提出了简化的PDF与局部瞬时平衡相结合的模型湍流预混火焰模型湍流预混火焰模型层流情况下火焰面以层流火焰传播速度SL向未燃气传播SL是可燃气的物理化学性质与流动状态无关高雷诺数湍流燃烧中不再存在单一连续的火焰面而是呈现“容积燃烧”整个燃烧区可以看成由许多程度不同的已燃和未燃的气固组成。此时燃烧速率常常被流动状态所控制同时也受到了分子输运和化学动力学因素的影响湍流燃烧过程的模拟除了湍流输运项的模拟之外在简单化学反应的假设下使该模拟顺利进行的关键在于合理模拟平均化学反应率即湍流燃烧速率设简单化学反应系统中燃烧的瞬时反应率满足双分子碰撞模型的Arrehnius公式:()由于和T之间相关在一般情况下有人曾试图把与各种化学热力学多数、流动参数及其脉动关联量联系起来从而使问题封闭但由于涉及到湍流和化学反应的相互作用需要考虑湍流混合分子输运和化学动力学三方面的因素因此寻找一个通用的把和局部参数联系起来的公式是十分困难的Spalding分析了影响的主要因素提出了的简化表达式即旋涡破碎模型(eddybreakup)EBU模型给出的计算二维边界层问题湍流燃烧速率的公式为()也可借助于k和将表示为()式中CE和CR是常数gf是当地燃料质量分数脉动的均方值即()在湍流燃烧系统中有的区域是扩散控制的反应流有的区域是动力控制的反应流还有的区域是扩散动力控制的反应流因此实际的燃烧速率应该是决定于扩散过程和反应动力学过程的及中的较少者。其中是以平均参数表示的Arrehnius类型的燃料速率公式。()()EBU模型的评价简单而直观突出了湍流混合对燃烧速率的控制作用未能考虑分子输运用化学动力学因素的作用只适用于高雷诺数的湍流燃烧过程针对EBU模型的不足Spalding提出了“拉切滑”模型(stretchcutandslidemodel)。其基本思想是:在预混火焰中充满着包含不同比例的未热气如已燃气的微团微团内部的这种不均匀性的尺度在湍流作用下不断地被反复进行的拉伸、切割和滑动过程所减小在微团内部的已燃气和未燃气的交界面上的着火焰它以相应的层流火焰传播速度向未燃部分传播。湍流燃烧的关联矩封闭模型(平均反应率的输运方程模型)湍流燃烧的关联矩封闭模型(平均反应率的输运方程模型)对一个定压燃烧过程设其反应机理可用单步不可逆反应来表征其瞬时反应速率遵守双分子碰撞模型的Arrehnius公式:()对变量和T进行雷诺分解对上式进行雷诺平均并利用泰勒级数展开略去脉动值的三阶以上并联量便可得到平均化学反应速率的表达式:()式中其中在F中概括了湍流脉动对平均化学反应率的影响是对燃烧进行模化的困难所在。如在模拟过程略去温度脉动的影响则在F中遗留下来的燃料和氧化剂质量分数脉动值的二阶关联项的控制方程为:()式中D表层流交换系数S表示化学当量比方程()中第三、五、六项需进行模化才能使其封闭。其方法如下:方程()中第三、五、六项需进行模化才能使其封闭。其方法如下:()()第六项的模拟可以简单地略去脉动的三阶关联项来实现。这样方程()变为()将上述方程及变量为、的微分方程与流动方程联立即可使方程组封闭。湍流燃烧的关联矩封闭模型的评价物理思想和推理较清晰需模化的量较多而且在早期的应用中略去了温度脉动对燃烧速率的影响故其计算精度并未提高湍流两相燃烧的模拟湍流两相燃烧的模拟在湍流两相燃烧过程的模拟中必须考虑以下因素颗粒反应(挥发、蒸发、异相燃烧)对气相湍流的影响气体湍流对颗粒反应的影响颗粒反应对气相湍流燃烧的影响湍流两相流中有反应的颗粒相的模拟对有化学反应的颗粒相的模拟必须全面考虑颗粒质量、动量与能量的湍流扩散和颗粒的经历效应Euler坐标系中处理气相Lagrange坐标系中描述颗粒相有反应颗粒相的连续介质轨道模型和考虑颗粒经历效应的多流体模型连续介质―轨道模型的基本方法连续介质―轨道模型的基本方法用多流体模型求解Euler坐标系中颗粒相的连续与动量方程求出颗粒速度与浓度分布同时沿着Euler坐标系中计算得到的轨道或流线追踪因反应和传热引起的颗粒质量和温度的变化使用常微分方程和代数式另一方面为了在纯粹的多流体模型中考虑颗粒经历的效应需要把Lagrange坐标系中描述颗粒总质量变化和daf煤质量变化的方程转换成Euler坐标系中的方程。此时除了先前推导的多流体模型中湍流有反应两相流动的颗粒相方程及其它封闭方程之外还需加上如下形式的daf煤输运方程()连续介质―轨道模型求解湍流两相反应流(图)三种迭代:气相内部迭代气相与颗粒相Euler场预报间的迭代轨道计算与气相流场预报间的迭代三种耦合:气相流场与颗粒相流场之间颗粒流场与颗粒经历之间颗粒经历与气相流场之间图湍流有反应两相流的LEAGAP流程图

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