湍流燃烧模型.ppt

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1、§5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1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

2、数，这意味着Le数等于1；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：1千克燃料+S千克氧化剂→（1+S）千克产物式中S是完全燃烧1千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1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（

3、107）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（108）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（109）（110）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

4、空间分布2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（1）用模型模化湍流输运作用；（2）假设快速反应模型成立；（3）建立以为固变量的控制方程；（4）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

5、入概率密度分布函数图2概率密度函数对于在0与1之间随时间脉动的随机混合物分数f（图2），它在f到f+df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（111）且f的时均值和脉动均方值应由下式确定（112）（113）对任何函数，其时均值和脉动值方值是（114）（115）P（f）的确定使用完整的PDF模型，使用Monte-Carlo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3城墙式脉动的PDF城墙式脉动的PDF（图3）是由Spalding首先提出的一种简化的PDF模型。该模型假定f只可

6、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（116）当时，有（117）（118）（119）（120）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（119）和（120）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（114）、（115）求出各种化学热力学系数的平均值和脉动均方值（121）（122）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

7、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3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

8、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