（工程热物理专业论文）湍流非预混燃烧的数值模拟研究.pdf

中国平h 羟帮v r 大学捌k b 学位论文 中文摘要 摘要 本文采用数值模拟技术研究湍流燃烧的非预混燃烧问题，包括三个方面的工作：非预混 湍流燃烧的p d f 模拟、挣伸层流火焰面的稳态和非稳态动力学特性分析以及非预混湍流燃烧 的火焰面模拟。讨论t lr 涉及到了多方面的燃烧物坪现象，如局部熄火和再点燃、氨氧化物的 排放特性、不同组分扩散系数的影响、标量耗散率脉动、火焰辐射、火焰抬举和火焰自燃 等。 将详细的化学反应机理( g 砌一m e c h2 1 1 和3 o ) 应用于美国s a n d j a 国家实验室值班湍流 射流火焰的p d f 模拟中，物理问题简化为抛物型，所采用的数学物理模型包括：标量p d f 方 法、多尺度一e 湍流模型、基于结点的m o n t ec a r i o 算法、空问推进算法、假定光学薄输运的 辐射模型等。详细讨论了不同湍流脉动和标量脉动时问尺度比c o ( = 1 o 、1 5 、2 o 和。个非 等尺度模型) 、不同小尺度混合模型( 1 e m 模型、m c u r l 模型和e m s t 模型) 、不同反应机理 ( g r j m e c h2 1 l 、3 o 详细机理和a r m 2 简化机理) 和火焰辐射对火焰结构、局部熄火和氮 氧化物排放预测的影响。对的取值进行了讨论，对不同混合模型的性能进行了评估，并提 出采用详细化学反应机理研究湍流燃烧问题的必要性。 对加州大学b e r k e l e v 分校的抬举h ：n ：湍流射流火焰进行了p d f 模拟，比较了不同详细反 应机理( c o n a i r e 机理、g r j m e c h2 1 l 机理和m u e l l e r 机理) 的模拟结果，分析了它们 对火焰抬举特性和自燃特性的影响，评估了不同反应机理的性能并指出了其缺陷。 对拉伸层流火焰面的稳态和非稳态动力学特性进行了数值分析。讨论了不同分子扩散系 数和火焰辐射对火焰面稳态结构、氮氧化物排放和熄火临界的影响。分析了随时间变化拉伸 作用下火焰面的瞬态响应特性，川。个台阶跃变的拇伸率来模拟瞬态流场对火焰面局部结构 的影响，给出了火焰面结构的瞬态响廊曲线，分析了火焰面的响应特性，着重探讨了不同拉 伸率跃变幅度对响应特性的影响。 提出将火焰面模型作为。个燃烧子模型和p d f 模型相结合的方法。将稳态的火焰面模 型、非稳态的火焰面模型( l a g r a i l g i a i l 火焰面模型) 和p d f 方法同时应用于s a n d j a 火焰d 的模 拟，从模型的模拟精度和计算效率两方面评估了不同燃烧模型的性能。采用l a 伊孤g i a i l 火焰面 模型对s a l l d i a 火焰d 、e 和川t 氮氧化物排放进行了数值研究，分析了r 坷n o l d s 数、标量耗散 率和火焰面时问对氮氧化物排放的影响。 利用己知的湍流动能耗散率脉动来估测标量耗散率的脉动，以此来估计标量耗散率脉 动的影响。然后基于湍流动能耗散率的随机模型，建议了两个类似的标量耗散率的随机脉 动模型：对数正态分布模型和伽马模型，并提出了l a g r a n g i a n 火焰面模型两个改进方案：随 机l a g r a l l 百a n 火焰面模型和l a g m n g j a n 多火焰面模型。 提出了自适应燃烧模拟的思想，更加紧密的结合p d f 方法和火焰面模型的优点，对模型 中文摘要中国科掌技术大学博士学位论文 的可行性、自适应准则条件的设计、求解策略和存在的问题进行了简单讨论。 关键词：湍流非预混燃烧；标量p d f 方法：火焰面模型；详细化学反应机理；小尺度混台i 局部熄火和再点燃；氨氧化物排放：不同组分扩散系数；标量耗散率脉动：火焰抬举和自 燃：火焰辐射。 i i 中国科学技术大掌博士掌位论文 英文摘要 a b s t r a c t n l et u r b u l e n tn o n p r e m i x e dc o m b u s t i o ni sn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a 钯dj n l i sw o r k t h r e e m a j o ra s p e c t sa r ec o n t a i n e d ，t h ep d fm o d e 】j n go f t i l r b u l e n tn o n - p r e m i x e dc o m b u s t i o n ，协es t e a d y a n du n s t e a d yd y n a m i c so f s t r e t c h e d1 a m i n a rf l a m e 】e t ，a n dt h ef l a m e l e tm o d e l i n go f t l l f b u l e n tn o n p r e m i x e dc o m b u s t i o n m a n yp h y s i c a lc o m b u s t i o np h e n o m e n aa r ei n v 0 1 v e di nt h ed i s c u s s i o n ，i e 1 0 c a le x t i n c t i o na n dr e i g n i t j o n ，n i t m g e no x j d e se m j s s i o n ，d i f 琵r e n t i a ld i f m s i o n ，s c a l a rd i s s i p a t i o n r a t ef l u c t u a t i o n s ，f l a m er a d i a t i o n f l a m el 讯一o f ra 1 1 da u t o i g n i t i o ne t c t h ec o m p r e h e n s i v ed e t a i l e dc h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a i l i s m s ( g i u m e c h2 1la i l d3 or c 1 e a s e s ) a r ei n c o r p o r a t e di nt h ep d fm o d e l i n go f t h ep i l o t e dt u r b u l e n t j e tf l 锄e so f t h es 柚d i an a t i o n a ll a bi nu s n ep h y s i c a lp r o b l e m sa r er e d u c e dt op a r a b 0 1 i ct y p ef 1 0 w s ，a | 1 dt h ei n g r e d i e i l t s o ft h ea d 叩t e dm a t h e m a t j c a ja n dp h y s i c a 】m o d e l si n c l u d ec o m p o s i t i o np d fm e m o d ，m l l l 虹p l e t i l l l es c a l e s ( m t s ) 七一et u r b u l e n c em o d e l ，n o d e b a s e dm 0 n t ec 训oa l g 谢廿l t i l ，s p 扰em a r c h 抽g a l g o r i t h m ，日锄er a d i a t i o nm o d c lu n d e r _ 1 l ea s s u m p t i o no fo p t i c a 】1 yt l l i nt 啪s f e re t c t h ei n 丑u e n c e so fd i f r e r e n tm e c h 柚i c a lt os c a i a rt i m e s c a l er a t j oc 毋( = 1 o ，1 ，5 ，2 oa n d 行o ma n o n - e q u a l s c a l e sm o d e l ) ，d i 舵r e n ts m a l l s c a l em n gm o d e l ( i e mm o d e l ，m c u r lm o d e la l l de m s tm o d c l ) ， d i f f b r e n tc h e m i c a lm e c h a n i s m sf d e t a j l e dg r i m e c h2 ，1la i l d3 om e c l l a n i s ma i l da r m 2r e d u c e d m e c h n i s m ) a n df l a m er a d i a t i o no nt h ep r e d i c t i o n so fn a i n es 协j c n 】r c s ，l o c a le x t i n c t i o na l l dn i 打o g e no x i d e se m i s s i o n sa i d i s c u s s e di nd e t a i l t h ec h o i c eo fc 毋i sd i s c u s s e d ，也ep e r 五姗a n c e o fd i 插e r c mi n j x i n gm o d e l sa r ee v a l u a t e d ，a n dm en e c e s s i 哆o f 印p l y i n gc o r n p r e h e n s i v ec h e r i l i c a l m e c h a n i s m si nt h et u r b u l e n tc o m b u s t j o nr c s e a r c hi sp r o p o s e d t h ep d fm o d e l i n go ft h eb e r k e l e yl i r e dh 2 n 2t 1 1 r b u l e n tj e tf l a m ei sp e r f o r m e d t h ep r e d i c t i o n sw i t hd i 艉r e n tc o m p r e h e n s i v ec h e m j c a lm e c h a n i s m s ( c o n a i r em e c h 柚i s m ，g l u m e c h 21 1a n dm u e l l e rm e c h a n i s m ) a r ec o m p a r e d t h ei n f l u e n c e so fd i a e r e n tm e c h a n i s m so nt h e f l a m el i f t o 行h e i 曲ta n da u t o - i g n i t i o np r o c e s sa r cd i s c u s s e d t h ep e r f b 加a n c eo f d i f f 抵n tm e c h a 1 1 i s m sa r ee v a l u a t e da n dt h e i rs h o r t c o m i n gi sp o i n t e do u t t h es t e a d ya n du n s t e a d yd y n a m i c so fs t r e t c h e dl a m i n a rf l a m e 】e ta r en u m 砸c a l l yi n v e s t i 一 2 a t e d t h ei n f l u e n c eo fd i f f 色r e n t l a ld i 渤s i o na n df l a m er a d i a t i o no nt h es t e a d yf l a m e l e ts m j c n u 髓， n i t m g e no x i d e se m i s s i o na n dn a m e l e te x t i n c t i o n1 i m i ta r ed i s c u s s e d t h et r a n s i e n tr e s p o n s eo f s t l d c h e d1 a m i n a rn a m e 】e tt ou n s t e a d ys 仃a i nr a t ei sn u m e c a j l ys t u d i e d t h es t e pv a r i a t i o no f s t m i nr a t ei su s e dt os i m u l a t et h ei n 日u e n c eo f i n s t a m a n e o u s 妇o wf i e l d0 nt h ef l a m e l e t 】o c a ls t 兀l c t u r e t h er e s 口o n s ec u r v e so fn a m e l e ts t m c t l l r e st os t r a i nr a t ev 撕a t i o na r ep r e s e n t e d ，a n dt h e r e s p o n s ep r o p e r t j e sa r ea n a l y z e dt h ef o c u si sp a n i c u l a yp mo nt h ei n f l u e n c eo f d i 矗e r e n ts t 印 一t i i 苤塞塑星! ! 型兰坐查兰堡主兰竺竺查 s l z eo ts t r a l nr a t ev a 唧a t l o no nt h er e s p o n s e a sac o m b u s t i o ns u b m o d e l t h ef l a m e l e tm o d e l i sc o m b i n e dw i t l lt h ep d fm d h o d t h e t h f e ec o m b u s t i o nm o d e l s ，t h es t e a d yn a m e l dm o d e i ，t h el l i l s t e a d yn a m e l e tm o d e l ( o rl a g 啪百a n n 啪e l c tm o d e l ) a n dt h ep d fm e t l l o d ，a r c 锄p 1 0 y e dt os i m u l a t et 毡es a m ef l a m e ( s a n d i an a m ed ) a tt h es a m et i m e f r o mt h ec o m p a r i s o n ，t h ep e r f b r i i l a n c eo f d i 伟e r e n tm o d e l sa r ee v a i u a t e do nn l e 唧e c t so f n u m e r i c a la c c u r a c ya n dc o m p u t a t i o n a le 伍c i e n c mt h en i t r o g e no x i d e se m i s s i o n sf b m s 柚d i af l a m ed ，ea n dfa r en u m e r i c a ls i m u l a t e d b yl a g r a n g i a i ln a m e l e tm o d e l ，a n dm ee 彘c to f r e y n 0 1 d sn u m b e r s c a l a rd i s s i p a t i o nr a t ea n dn a m e l e tt i m eo nt h en i n d g e no x i d e se m i s s i o n sa r c d j s c u s s e d t h es c a l a rd i s s i p a t i o nr a t em i c t u a t i o n sa r ce s t i m a t e d 疗d mt h ek n 伽啊t i l r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y d i s s i p a t i o nr a t ef l u c t u a t i o n s ，i no r d e r t om t et h ei m p a c to fs c a l a rd i s s i p a t i o nm t ea u c m a t i o n s b a s e do nt h es t o c h a s t i cm o d e l so ft u r b u l c n t1 ( i n e t i ce n e r g yd i s s i p a d o nr a t e ，m os i m i l a rs c a l a r d i s s i p a t i o nr a t es t o c h a s t i cm o d e l sa r cp r o p o s e d ，v j z t h el o g - n o m m lm o d e l a l l dt l l eg a n 蚰am o d e l i na d d i t i o n ，惭om o d i f i c a t i o n so f l a g r a n g i a n 丑锄e l e tm o d e la r ea d v a n c e d ，n 锄e l yt h es t o c h a s t i c l a 鲫1 9 j 册| 1 a m e l e tm o d e la 1 1 dt h el a g r a n 鲥a nm u l t i p l e f l a m e l e tm o d e l 1 1 l ec 叫c e p to fa d 印t i v ec o m b u s t i o nm o d e l i n gi sp r o p o s e dt oc o m b i n et l l er c s p e “v em 谢t s o f p d fm e t h o da n d 丑a m e l e tm o d e lm o r em t i m a t et h ef h s i b i l i t yo f t h em o d e l ，t h ed c s i g no f t l l e a d a p c a t i 伽c r i t e r i a ，c o m p u t a t i o ns t r a t e g ya i l du n d e r l i n e dp r o b l e m sa r ed j s c u s s e dm e n y 1 ( e yw o r d s ： t u r b u l e n tn o n _ p r e m i x e dc o m b u s 石o n ；c o m p o s m o np d fm e m o d ：f l 锄e l e tm o d _ e l s ；c o m p r e h e n s i v ec h e m i c a lm e c h a l l i s m s ；s m a l l s c a l em i x i n g ；l o c a ie x t i n c d o n 卸dr e - i 印衔o l l ； n i 仃0 9 e no x i d e se m i s s i o n ；d i 仃e r e n t i a ld i 舶s i o n ；s c a l a rd i s s i p a t i o nm t ef l u c t i l a t i o n s ；f 1 锄el i r - o 靠a n da u t o i g 出t i 衄；f l a m er a d i a 廿o n 中国科尊哼虹特大学博j 敞试誓赶 第一章绪论 1 1 湍流燃烧概述 第一章绪论 湍流燃烧过程广泛的存在于能源产牛系统、交通运输丁具等巾，如电站锅炉、飞机汽车 的发动机等。目前直至未来的半世纪内，能源的产牛将仍然以化石燃料的燃烧释热为主要途 径。化石燃料是指煤炭、石油、天然气等这些埋藏在地下不可再生的燃料资源，储量有限， 从探明的储量分析，现在地球上的石油、天然气和煤炭的总储量分别为：石油1 万亿桶；天然 气1 2 0 万亿立方米；煤炭l 万亿吨。按照f j 前全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可 供人类使用的时间大约还有：石油4 5 5 0 年；天然气5 0 一6 0 年：煤炭2 0 0 2 2 0 年。因此，提高能 源利用效率，经济台理的使刚化石燃料是目前应对能源短缺危机的一个重要措施。 另一。方面，燃料的燃烧不可避免的排放出污染物【，叫，如氮氧化物( n o 和n o ，) ，一 氧化碳，硫氧化物( s 0 2 和s 0 3 ) ，未燃尽或部分燃尽的碳氢化合物( 如醛，a l d e h v d e s ) ， 微粒如煤烟、飞灰和焦炭等，温宰气体如氧化二氮和二氧化碳等。这些污染物是从燃烧过 程中直接释放出来的，称为+ 级污染物( p r i m a r yp 0 1 l u t a n t s ) 。排放到大气中后，级污染 物将进一步反应产生二级污染物( s e c o n d a r yp o l 】u t a l l t s ) ，如臭氧( 0 3 ) 、硝酸过氧化乙酰 ( p e r o x y a c e t y ln l t r a t e ，p a n ) 等，这些物质有很强的氧化性。燃烧污染物已经并且将持续对 人类及其生存的生态环境造成危害，由于接触污染物，人体健康受到威胁。如肺病、皮肤病 及某些癌症等；酸雨会污染水系统，杀死植物和动物，损坏土壤，毁坏林木；温室气体的无 限制排放使得全球变暖，将使整个生态平衡受到影响。随着环境问题的恶化，保护环境，控 制和降低污染物的排放成为迫在眉睫的关键问题，它将关乎全人类的生存和发展。世界上许 多国家都制定了越来越严格的污染物排放、控制标准，如欧洲机动车污染物排放的e l l r oi i i 标 准( 1 9 9 9 ) ，美国的t i c r 标准等。我们国家环保总局也已经编制完成相当于e u r oi i i 标准的国 家机动车污染物筇三阶段排放限制标准。 由于燃烧设备中的燃烧都以湍流燃烧的形式出现，要设计出高效清洁的燃烧装置，首先 需要提高对湍流燃烧机理的认识。湍流燃烧并不是一个新鲜的话题，对它的研究已有半个世 纪多。由于它和人类的牛产牛活息息相关，对它的研究始终没有被忽视。湍流燃烧是一个极 其复杂的物理化学过程，各种非线性现象如湍流输运、有限速率化学反应、非均相燃烧、 污染物生成和火焰辐射等强烈的耦合在起，大大增加了湍流燃烧问题的研究难度。上世 纪七、八十年代开始，随着计算机硬件和软件的不断改善和计算流体力学( c f d ) 的快速发 展，数值模拟逐渐成为砰论研究和t 程应川研究的丰要手段之一，燃烧问题也不例外，并衍 生出了一个交叉的学科分支计算燃烧学。 湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为：湍流非预混燃烧、预混燃烧和 中国科学技水大掣坤参t 哇挚位论文 部分预混燃烧【5 d 在湍流非预混燃烧 t ，燃料和氧化剂事先是分离的，燃料和氧化剂一边混合 一边燃烧，燃烧速率主要受湍流混合过程控制 2 ，6 7 】。而在湍流预混燃烧中，燃料和氧化剂在 进入核心燃烧区以前已经充分混合，化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反 应区的传播所控制【2 “8 ，9 1 。上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形，很多情况下两种 燃烧模式是并存的，称为部分预混燃烧”。部分预混燃烧可出现在下列情形中叫： ( 1 ) 在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置r ll 发牛了局部熄火；( 2 ) 当预混火焰前缘穿过非 均匀的混气时； ( 3 ) 射流非预混火焰发生抬举，其根部是一。个典型的部分预混火焰。这三种 部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等，它们对研 究湍流燃烧过程的机理有很大意义。 因为非预混燃烧在t 程应用上比预混燃烧更安全，冈此除了很多汽油发动机( 四冲程循 环或奥托循环) 是预混燃烧外，大部分的1 二程燃烧是以非预混形式出现的，如喷气发动机、 柴油机、蒸汽锅炉、熔炉和氢氧火箭发动机等【”】。湍流非预混燃烧的广泛应用使得对它的 研究颇受重视。美国s a n d i a 国家实验室的t n f ( t 1 】r b l l l e n tn o i i - p r e l l l i x c df l a i n e ) 专题研究小 组【”l 就是为了增进国际间在湍流非预混和部分预混燃烧领域的研究合作而建立的。该小组的 目标是：( 1 ) 建立因特网上的火焰实验数据库，方便模型的验证和加深对湍流燃烧机理的科 学认识；( 2 ) 提供个供实验和数值模拟结果比较的合作平台；( 3 ) 为未来的实验数值研 究指导方向。湍流燃烧的研究也直是国际燃烧学会议的主要话题之一，该会议由国际燃烧 学会( t h ec o m b u s t j o ni n s t i m t e ) 主如，每两年召开饮，下一届会议将于2 0 0 6 年8 月在德国 的h e i d e l b e 喂大学召开。 目前研究湍流燃烧的一个重要方法是数值模拟研究。湍流燃烧将本已经很复杂的两个问 题：湍流和化学反应耦合在了起。除了需要湍流的流动模型和化学反应动力学模型( 化学 反应机理) ，还需要耦合两者关系的湍流燃烧模型。传统的处理流动问题的r e y l l o l d s 平均模 拟( r a n s ) 在处理反应流问题出现困难，平均后的反应标量输运方程中出现了平均的化学反 应速率项。由于反应源项的强非线性特性，很难通过模型建立平均反应速率和平均温度和组 分的模型关系。其它基于快化学反应的模型不能考虑有限化学反应速率的影响，离实际问题 相差还很远。因此新颖的湍流燃烧模型是研究湍流燃烧问题的关键。 随着激光诊断技术的发展【2 ，”】，湍流火焰的实验研究也是目前研究湍流燃烧的一个重 要方法。s a n d i a 国家实验室的t n f 专题研究小组通过r 帅a n 散射，r e y l e i 曲散射激光诱导荧光 ( l i f ) 技术瞬态测量了温度和组分( 如c 0 2 ，h 2 0 ，c o ，h 2 ，n 0 等) 分布，建立了一系列标 准火焰的实验数据库，如简单射流火焰、值班射流火焰、钝体稳定射流火焰和漩流射流火焰 等1 8 】为模型验证提供了可靠的依据，也提高了对湍流脉动和化学反应耦合作用的认识。 数值模拟技术由于它的廉价性和可操作性在国际上受到越来越多的重视，相关的 研究文献非常丰富，专题的学术刊物也很多如j p 物c 枷黔旃pc m 妇s l 拓w 协m 配 c o m 妇s t i o n 册df l n m e c o m h s t i o nt h 斜册dm o d d l i n g c o m h s t i d ns c 记n c e 口n dt e c h h o l o 移 ，如w 戥而” 明卵口月dc b 6 “s f f o 月等。国内在这方面的研究还比较薄弱，基本上还停留在早期 2 一 中国科掣培站柱，o 学博哇- 掌位论文 第一章绪论 比较原始的燃烧模型上面，对上世纪七八十年代开始出现的一些比较新颖的湍流燃烧模型涉 及的还很少。 1 2 湍流燃烧模型 因为湍流燃烧中的复杂现象如点火和熄火、污染物生成都和实际化学动力学过程有 直接关系，因此，个新颖的湍流燃烧模型至少能够考虑有限化学反应速率的影响。目前 能够处理气相燃烧f i 任意详细化学反廊机理的湍流燃烧模型主要有以下几种：( 1 ) 直接 数值模拟( d j r e c tn u m e r j c a ls i n l u 】a t j o n ，d n s ) 和大涡模拟( 1 a 唱ee d d ys j m u j a t j 锄，l e s ) ： ( 2 ) 概率密度函数( p r o b a b i 】i t yd e n s 时矗m c t i o n ，p d f ) 输运方程方法；( 3 ) 基于守恒 标量的方法。如火焰面模型( f l a m e l e tm o d e l s ) 和条件矩封闭( c o n d i t i o n a lm o m e n tc l o s e ，c m c ) ；( 4 ) 其它模型如线性涡模型( 1 i n e a re d d ym o d e l ，l e m ) 或“一维湍流” ( o n e d i m e n s i o n a lm r b u l e n c e ，o d t ) 模型、p e ul ( p r o g r a m m ee u l e r i c nl a g m g i e n ) 模 型、m i l ( m o d e l ei n t e n “t t e n tl a 鼯a n g i e n ) 模型。 1 2 1 直接数值模拟和大涡模拟 d n s 【1 5 1 6 】方法通过直接求解n a v i e r s t o k e s 方程得到所有湍流长度尺度和时间尺度上的 流体运动。湍流是个典型的多尺度非线性系统，包含有大大小小不同尺度的涡，从最 大的湍流积分长度尺度2 0 到最小的k o l m o g o m v 混合尺度k ，尺度范围跨度非常大，z o k r 考芦( r e f 是湍流r e y n 0 1 d s 数) 。在燃烧条件下，反应层厚度有时比k o l m o g o r o v 尺度还 小【”。要能够分辨湍流最小的涡旋甚至更薄的火焰面，需要将网格划分的非常致密，由 此带来的计算量将是异常庞大的。在目前的计算条件下，。般只能考虑小r e y n o l d s 数或中 等r 钾n 0 1 d s 数下的湍流流动和燃烧问题。尽管d n s 在鹿川中受到限制，但由于它不需要任何 湍流的模型，d n s 往往被作为实验的补充方法来研究湍流流动和燃烧机理并改进湍流燃烧的 模拟方法m ，w 。在过去的i 。几年中，d n s 被应用到均匀湍流反应流l “】、三维衰变各向同性湍 流中的氢氧燃烧z “、预混燃烧【2 。2 ”、非预混燃烧、点火熄火【2 5 _ 2 9 】等河题的研究中。 d n s 方法使刚最致密的数值网格来达到模拟所有空间和时间尺度流动的目的， 在模型层次上是完全精确的， r 它的应川限于口前计算条件受到太大的限制。相对 于d n s ，l e s 盼1 6 】在计算代价和模型精度上作了折衷，对大尺度的三维非稳态湍流涡旋 直接计算，而对小尺度涡旋的影响进行模拟。大尺度和小尺度涡运动的分离是通过滤运算 ( 6 1 t e r i n go p e r a t i o n ) 来实现的，l e s 的实施包括四个基本步骤： ( 1 ) 运用过滤算子将速 度场分解为过滤分量和网格分量，其一| l 过滤分量就代表大涡运动； ( 2 ) 从n a v i c r - s t o k e s 方 程中推导过滤分量的演化输运方程，这些标准力程仍是标准形式的并含有亚网格应力张量； ( 3 ) 模化强网格应力张量，通常采川涡旋粘性系数模型； ( 4 ) 数值求解过滤分量的输运 方程，其结果近似衷示了湍流大尺度涡旋运动的。个实现。严格意义上，l e s 只是个通用 3 1 2 湍流蜊粥耐奠型中国荆掌技术大学_ 博哇i 掌位论文 的湍流流动模型而非燃烧模型，要处理反应流问题，还需要建立亚网格燃烧子模型。通常 情况下，l e s 会结合现有的其它湍流燃烧模型。由于l e s 能够捕捉大尺度的涡结构，而燃烧 动力学过程中包含有大尺度湍流涡和火焰的相可耦台问题，因此l e s 非常适合用来研究基 础的湍流燃烧问题，如燃烧不稳定( c o m b u s t i o ni n s t a b i l 时) 【3 ”、气动噪声( a c r o d y n a i i l i c n o i s e ) 【” 等问题。口前，l e s 越来越多的被应用于湍流流动和燃烧问题的研究中，如气体 涡轮燃烧室p 删、湍流射流非预混火焰f 4 - 4 0 ，4 “司、湍流预混火焰f 4 “o j 以及多相燃烧剐等。 国际国内很多研究小组都开始着手这方面的研究，而且在未来的5 0 年内，l e s 有望成为一种 主导的湍流模型。最近p o p e 针对l e s 提出了十个概念性的问题【5 2 ，值得思索。 1 2 2p d f 方法 p d f 输运方程方法以完全随机的观点对待湍流场，它的发展源于l u n d g r c n 【5 3 1 、d o p a z o & o b r i e n f 5 6 】和p o p e 【5 7 】等人的开创性工作。p d f 方法通过推导和求解速度和标量联合 的p d f 输运方程来获知湍流场中这些量的单点统计信息，如平均温度组分场，温度和组分的 方差及其它们之间的二阶关联等。对于湍流燃烧问题，出现在p d f 输运方程中的化学反应源 项以封闭的形式出现，并且不存在任何假设前提( 5 8 】因此p d f 方法是一种非常通用的湍流燃 烧模型，能够精确模拟任意详细的化学动力学过程，适用于预混、非预混和部分预混的任 何燃烧问题。在单点统计框架下，目前的p d f 方法有三个封闭层次：标量联合p d f 方法、速 度。标量联合p d f 方法和速度标量一频率联合p d f 方法。标量联合p d f 方法还需要统计矩方法 ( 如七一和r 哪o l d s 应力模型) 提供速度场和混合的时间尺度信息，这种方法最简单，应用 很广泛【5 ，l 。速度一标量联合p d f 方法中包含了速度场的统计信息，但仍需要建立湍流时间尺 度的模型，丽速度一标量一频率联合p d f 方法是完全完备的方法，不需要其它方法提供额外的信 息，后者应用的也相当多【“】。 p d f 方法在发展过程中，封闭模型和数值算法都受到很大重视，这对于p d f 方法在工程 中的推广应用非常有益。在模型方面，虽然p d f 输运方程叶- 的化学反应源项是封闭的，但出 现了不封闭的分子输运条件平均值项( 或小尺度混合项) 、粘性应力条件平均值项和脉动 压力梯度项。粘性应力条件平均值和脉动压力梯度通常采用l a i l g e v i n 模型隗6 5 】模拟。小尺 度混合问题是p d f 模拟湍流燃烧问题是否成功的关键，因为化学反应必须达到分子尺度的混 合，小尺度混合过程是联系大尺度湍流涡旋和化学反应的纽带，只有恰当的模拟好小尺度 混合过程才能够比较好的解耦湍流与化学反应的相互作用，一些复杂的问题如局部熄火和 再点火过程等才能迎刃而解。对于小尺度混合过程的建模工作开展的很多1 6 “9 】，使用最广 泛的混合模型主要有1 e m ( i n t e r a c t i o nb ye x c h a n g ew 曲t h em e a l l ) 模型、修正的c u r l 模 型 7 0 l 和e m s t ( e u c 瑚e a nm j n j m 啪s p a l l n j n gt r e e s ) 模型等。目前采用的p d f 方法都是基 于单点统计的，不包括湍流场的长度尺度和时问尺度信息，一个简单的修正办法是将湍流动 能耗散率( 或湍流频率) 包括进联合的p d f 巾并建立其相应的模型，这方面的工作包括p 叩e c h e n 【7 2 】、p o p e 【7 3 】和v a ns l o o t e n ，j a y e s h ，a n dp o p e f7 4 】等；更直接的方法是建立多点统计 4 中国羊挚掣p r ，o 学博士学位论文 第一章绪论 的p d f 方法，e s w a r a n ，o b r i e n ，a n dd e c k e 州7 5 】建立了均匀各向同性湍流中的单标量两点联 合p d f 方程，并对其- ”的对流项和分子扩散项进行了模化，m c y e r s o b r i e n 【7 6 】和d o p a z o 【7 7 】 等人提出建立速度及其梯度和标量及其梯度的联合p d f 方程，但其中又出现了梯度输运通量 条件平均，需要建立模型。这些高阶的统计方法本身仍不完备，并且将问题更加复杂化，因 此还没有川到实际的燃烧场一hn 前使川的都是申点统计p d f 方法，采用前一种模型( 频率 模型) 提供湍流速度场和标量场的时间尺度信息。 p d f 方法在数值算法方面也有很大发展，由于p d f 输运方程的维数相当高，有限差 分的离散方法不再适川。针对p d f 方法维数大的特点，p o p e 5 8 7 8 l 将m o m ec 砌。方法引入 到p d f 方程的求解- l 一，m o n t ec a r l o 方法在处坪高维问题有独特优势，计算量随维数仅呈线 性增长。m o n t ec a r l o 颗粒力法分两类，其+ 是基于结点的m o m ec a r l o 方法( 7 8 】所有的颗粒 都固定在各自的网格点上不动，这种方法适_ | | ：j 于标量p d f 方程的求解，使用比较简单，容易 收敛，应用的比较广泛【7 9 5 “”，它的缺点是空间精度只有一阶；另类是分布颗粒m o n t e c a r l o 算法陬8 0 8 ”，颗粒在流场是运动的，适用各种p d f 方法，它的实旋相对比较复杂， 但它精度至少二阶以上，颇受青睐 6 28 2 ，6 ”。最近c a o p o p e 【8 0 】针对标量p d f 方程的分布颗 粒m o n t ec 训。算法发展了个二阶时问精度的数值格式。为了弄清颗粒算法的数值特性ix u p o p e 【8 3 】在射流非预混火焰的数值算例巾详细分析了数值误差( 包括统计误差、偏差和离散 误差) 随数值参数如网格数| _ _ l 、甲冗网格颗粒数和时问步长等的变化。此外，p d f 方法的计 算量通常是非常大的，尤其是针对燃烧问题，为了减小统计误差，保证计算精度，用于模拟 的颗粒数目不能太少，而过多的颗粒又使得计算量承受不起。为了减小数值误差并提高计算 效率，一些学者从计算策略的角度考虑，组织+ 些新的算法。纯粹的颗粒方法由于统计误差 以及没有数值耗散或很小，“1 颗粒比较少时，统计平均场很不光滑。p o p e 小组【8 4 。“l 发展了一 个满足相容性条件的有限体积颗粒混台算法，平均的密度、速度和焓由统计矩方法模拟，而 脉动速度和标量通过p d f 方法求解。该混合算法在值班射流火焰【翱、钝体射流火焰【船l 及抬举 射流火焰【8 9 】的计算l l 都显示了很好的效果。陈义良课题组【”，9 1 】将这混合算法推广至非结构 网格中，克服了结构网格的限制，在值班射流火焰和钝体射流火焰的计算中取得了不错的结 果。 p d f 在广泛应川十低m a 数气相湍流燃烧研究的同时，还不断向工程实际应用推 广【7 t9 2 - 95 】，并尝试庹川于向多丰【j 燃烧i ”9 ”、超音速燃烧【9 9 ”0 】等问题。此外，随着l e s 的 深入研究，很多学者将p d f 和l e s 相结合以期获得对湍流脉动和火焰相可作用的更深理 解m8 l ，1 0 i 1 0 2 】，这- 研究有望成为今后p d f 研究的。个重要方向。 1 2 3 基于守恒标量的模型 有些燃烧模型是和某个特定的守恒标量( 如非预混燃烧叫1 的混台物分数) 密切相关，通 常将它们归为- 类模型，几前普遍使川的两利燃烧模型：火焰面模型( n a m e l e tm o d e l s ) 和条 件矩封闭( c o n d i t j o n a lm o m e n tc l o s u r e ，c m c ) 都属于这种类型。 5 中国料掌披术大学博士学位论文 1 _ 2 3 1 火焰丽模型 火焰面模型蕴含的基本物理图像是湍流燃烧场由大量的小火焰面( f l 锄e l e t s ) 和包围 这些火焰面的无反应湍流流场组成0 3 ，1 0 ”。这些火焰面是很薄的反应一扩散层，它的厚度 比k 0 l i l l 0 9 0 r o v 涡旋尺度还要小( d n 1 ) ，即湍流燃烧处于“皱褶”的层流火焰面燃烧模 式下1 5 ，”，”5 l 。火焰面模型的应用是受特定的燃烧模式限制的，但实际青况下，这种燃烧模式 是很普遍的【1 0 4 ，1 mm ”，如往复式发动机、气体涡轮燃烧室等，所以火焰面模型还是有非常大 的适用范围。在“皱褶”的层流火焰面燃烧模式下，由于火焰面厚度比k o l m o g o m v 涡旋尺度 还小，火焰薄层的内部结构不会受湍流涡旋的影响，而只是在湍流运动的作用下发生火焰面 的拉伸扭曲变形。在这种物理机制下，可望将火焰面的内部结构和湍流对火焰面的作用分开 考虑。直观的理解和想象，火焰面模型是将火焰表面的宏观结构作为湍流的输运对象，而不 是p d f 方法中的将反应标量本身作为输运对象。火焰表面的位置由某个特定的无反应标量的 等值面描述，可以建立这个标量对应的场方程。对于非预混燃烧这个无反应标量选择的是混 合物分数f ，而对于预混燃烧，没有对应的守恒标量可供选择，w i r d l p e t e r s i l 删建议采用一 个g 标量描述火焰面的位置，g 标