化学反应流体动力学模型

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1、第三讲化学反应流体动力学模型2009.10.12化学反应流体动力学概念流动过程和模型化学反应模型点火模型状态方程实例介绍化学反应流体动力学模型1.化学反应流体动力学概念化学反应流体动力学现象：燃烧：一种带有剧烈化学反应的流动现象。实际燃烧过程是一个包含流体流动、传热和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程。化学爆炸：由于物质在一定的条件下产生化学，在反应的过程中，急剧释放能量而引起爆炸。爆轰：化学反应阵面沿炸药超声速传播的过程。1.化学反应流体动力学概念（续）化学反应流体动力学基本内涵：流动：物质在空间中的运动。化学反应：物质组成和性质的变化，新物质的生成，旧物质的消亡

2、。动力学：物质系统演化的起始、发展和结束，是时间历程的函数。状态：某一时间t、位置r物质的性质，局部迅速热动平衡假设。2.流动过程与模型层流和湍流的概念层流：一种有规则的流动状态。湍流：一种无规则的流动运动，在湍流中各种量呈现着随时间和空间的随机变化，但这些量的统计平均值的变化是有规则的。两种状态的区分：雷诺数2.流动过程与模型（续）湍流的产生所流过的固壁的摩擦作用－－固壁湍流具有不同速度的流体层之间的相互作用－自由湍流定量描述湍流参量湍流尺度：包括长度尺度和时间尺度，取决于所研究体系的尺寸和流体的特征速度湍流强度（湍流脉动动能）：湍流的脉动具有拟周期性，可以看作具有不同脉动频率的运

3、动的叠加。2.流动过程与模型（续）湍流均流的描述为什么要引入平均直接模拟难题：为描述小尺度湍流特性，必须把研究体系至少分成相当于该尺度大小的网格，现有计算机的存储量和运算速度与要求相距甚远。Kolmogorov小尺度定义如体系特征尺寸0.2m，每个小涡团每个方向上5个网格则：所需网格（125×1e9--1e11）2.流动过程与模型（续）湍流均流方法时间平均空间平均概率平均定常或准定常均匀流场不定常、不均匀对体系湍流流量进行时间平均公式湍流脉动量定义2.流动过程与模型（续）湍流均流控制方程（雷诺方程）连续方程动量方程能量方程均流控制方程一般形式组分方程推导方法：对各因变量雷诺分解，进

4、行雷诺平均2.流动过程与模型（续）流体流动基本方程连续方程动量方程能量方程流体流动方程一般形式组分方程2.流动过程与模型（续）湍流均流方程组与基本方程组的异同1）两者在形式上一样，由时间导数项、对流项、扩散项和源项构成。2）将基本方程组中的量换成了相应的平均量3）湍流均流方程中出现了新项湍流输运量4）源项平均的表达式与基本方程有一些区别未知的2.流动过程与模型（续）湍流模拟的思想观点1）把湍流输运量用已知量或已有的未知量表示出来，使得未知数的数目等于独立方程或数学表达式的数目。2）模化：给出多余未知量的近似表达式使问题封闭的过程。3）湍流输运量模化主要方法：湍流输运系数的概念直接寻找

5、湍流输运量的代数表达式或封闭的输运方程。2.流动过程与模型（续）湍流粘性系数模型湍流粘性概念：对应于层流粘性，湍流涡团的脉动与分子热运动有类似之处，也有粘性系数。Boussinesq二维边界层定义雷诺应力：非边界层雷诺应力定义2.流动过程与模型（续）如何确定湍流粘性系数主要影响因素：湍流涡团脉动动能k湍流的特征尺度L湍流粘性系数模型分类（根据需要求解微分方程个数）零方程模型－－混合长度模型单方程模型－－k方程模型双方程模型－－k-em模型2.流动过程与模型（续）混合长度模型（Prandtl1925年提出）两条假设：混合长度模型的不足：没有考虑对流和扩散过程的影响许多流动中给出混合长度

6、计算公式相当困难＋－>湍流动能：2.流动过程与模型（续）单方程模型（Kolmogorov1942、Prandtl1945年提出）要点：2、仿照混合长度公式，用代数式给出长度尺度3、建立和模化k的微分方程，求得整个问题封闭1、定义：粘性系数：2.流动过程与模型（续）单方程模型（续）湍流动能k的模拟方程单方程模型的不足：（与混合长度模型一样）没有考虑对流和扩散过程的影响许多流动中给出混合长度计算公式相当困难2.流动过程与模型（续）双方程模型Spalding认为：既然构成湍流的单元是涡团，所以湍流输运应当与涡量或涡量脉动值有关；从雷诺应力输运方程存在耗散项要模化和方便提供湍流尺度。Harl

7、ow和Launder建议：把湍流动能耗散率e作为待求的第二变量。形成k-e模型2.流动过程与模型（续）双方程模型（续）湍流粘性系数湍流动能耗散率湍流动能耗散率2.流动过程与模型（续）湍流粘性系数模型的不足两个基本点：1。Boussinesq的湍流应力公式2。认为湍流输运可以用湍流动能和长度尺度来标征。不足：1。无法正确描述流场梯度为零而湍流应力不为零的一类流动。2。湍流动能k和长度尺度L都是标量，它们构成的湍流粘性系数无法体现出湍流输运的各向异性。3。不能