（热能工程专业论文）多参数火焰面模型的数值研究.pdf

| f i i t ii ii iii ii ii i iii iiij 19 0 9 0 5 9 u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e gr e e numer ic alinv e s t i g a t iono f mul t iple - p ar ame t erflamele t m o d e l s a u t h o r sn a m e ： s p e c i a l i t y ： 一， s u p e r v i s o r ： f i n i s h e dt i m e ： w e ih u a n g t h e r m a le n g i n e e r i n g p r o f t a o h o n gy e m a y2 6 m ，2 0 1 1 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特另a j d l ：i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：盏应签字日期：垄丛鱼：2 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为中请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术人学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影e 1 j 、缩e 1 j 或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 母，开口保密( 年) 作者签名： 童直 导师签名： 陋生 签字日期： 型1 2 ：! ：2 签字日期： 竺坚：鱼刍 摘要 摘要 在实际燃烧室中，绝大部分燃烧都包含有扩散或者部分预混火焰的特征。从 建立层流火焰面数据库入手，针对层流部分预混火焰，以求解物理空问下的火焰 而方程为参考解，探讨在求解混合物分数空间下的火焰而方程过程中，不同组分 l e 数、燃料预混程度以及标量耗散率模型对部分预混火焰结构的影响。并讨论 部分预混火焰的熄火特性。在对层流火焰面数据库有了一个清晰认识后，选择一 个典型的维层流部分预混火焰为研究对象采用f p v 模型模拟。结果表明，f p v 模型能够对这类层流部分预混问题进行较准确的描述。 对层流火焰面数据库进行统计平均是火焰面模型应用于湍流燃烧的重要环 节，讨论了查库参数( 混合物分数、反应进度变量和焓损失值) 的几种常用概率 密度分布。对s a n d i a 值班湍流射流火焰d 和e 以及钝体驻定火焰h m l 进行数 值研究。具体包括：网格独立性的验证、修正参数的k 一占模型、数据库完备性 的讨论、组分扩散的影响以及反应进度标量的选择。对s a n d i a 湍流射流h 2 h e 火焰，采刖三参数火焰面模型e d f m 模拟。引进第三个查库参数焓损失值， 考虑三种h e 稀释程度下的火焰辐射，同时将光学薄假设的辐射模型耦合到c f d 流场计算中。结果表明：f p v 模型能够较好预测s a n d i a 值班湍流射流火焰d 、e 和钝体驻定火焰h m l 的基本特征。模拟h 2 h e 湍流射流扩散火焰时，e d f m 模 型相对于s l f 模型更具有优势。 关键词：火焰面模型，部分预混火焰，标量耗散率，反应进度变晕，焓损失，湍 流燃烧，数值模拟 摘要 a b s t r a c t l nt h ea c t u a lc o m b u s t i o nc h a m b e r , m o s to ft h ec o m b u s t i o ni n c l u d st h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f u s i o no rp a r t i a l l y - p r e m i x e df a m e s t h es t u d yb e g i n sf r o m b u i l d i n gt h e l a m i n a rf l a m e l e tl i b r a r y d e t a i l e dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sb a s e do nt h e s o l u t i o no ft h ep h y s i c a ls p a c ef u l l t r a n s p o r te q u a t i o n sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t h f l a m e l e tc a l c u l a t i o n si no r d e rt oa n a l y s et h ef l a m e l e tc o n c e p tf o rl a m i n a rp a r t i a l l y p r e m i x e df l a m e 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 o l v e di nt h ed i s c u s s i o n ， i e d i f f e r e n t i a id i f l u s i o n ，f u e lp r e m i x e dl e v e l ，s c a l a rd i s s i p a t i o nm o d e l s i na d d i t i o n ， t h ee x t i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i a l l yp r e m i x e df l a m ea r ed i s s c u s s e d i nt h ef a c eo f a c l e a ru n d e r s t a n d i n go nt h el a m i n a rf l a m e l e td a t a b a s e ，t h ef p vm o d e l i n go fat y p i c a l 2 dp a r t i a l l yp r e m i x e df l a m ei sp e r f o r m e d t h er e s u l tp r o v e st h a tt h ef p va p p r o a c hi s w e l lq u a l i f i e df o rt h el a m i n a rf l a m es i m u l a t i o n a sa n i m p o r t a n ts e c t i o n t o i m p l yl a m i n a r f l a m e l e tm e t h o dt ot u r b u l e n t c o m b u s t i o n ，t h et u r b u l e n tf l a m e l e tm e a n li b r a r yw e r eo b t a i n e df r o ms t a t i s t i c a l a v e r a g i n go ft h el a m i n a rf l a m e l e tl i b r a r y t h ep r e s u m e dp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n s o f t h el i b r a r yi n d e x s ( m i x t u r ef r a c t i o n 、r e a c t i o np r o g r e s sv a r i a b l e 、e n t h a l p yd e f e c t ) a r e d i s s c u s s e d t h es a n d i af l a m ed 、ea n db l u f f - b o d yf l a m eh m 1a r en u m e r i c a l l y i n v e s t i g a t e db yf p vm o d e l i n g t h ed i s c u s s i o n i n c l u d e s ：t h ev a l i d a t i o no fg r i d i n d e p e n d e n c e ，m o d i f i e dp a r a m e t e r 庀一占m o d e l ，t h ec o m p l e t e n e s s o ft u r b u l e n t f l a m e l e tl i b r a r y , t h ee f f e c to fd i f f e r e n t i a ld i f f u s i o na n dt h ec h o i c eo ft h ee x p r e s s i o no f r e a c t i o np r o g r e s sv a r i a b l e t h ee d f mm o d e l i n go ft h es a n d i ah 2 h et u r b u l e n tj e t f l a m ei sp e r f o r m e d t h et h i r df l a m e l e ti n d e x ( e n t h a l p yd e f e c t ) i si n t r o d u c e d t h ef l a m e r a d i a t i o nb a s e do nt h r e el e v e l so fh ed i l u t i o ni si n v e s t i g a t e d m e a n w h i l et h eo p t i c a l t h i nh y p o t h e t i c a lr a d i a t i o nm o d e li sc o u p l e dt ot h ec f df l o wf i e l ds i m u l a t i o n t h e r e s u l ts h o w s ：f p vm o d e lc a ng i v eas a t i s f a c t o r yp r e d i c t i o no ns i m u l a t i n gt h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so fs a n d i af l a m e sa n db l u f f - b o d yf a m e e d f mm o d e lh a sm o r e a d v a n t a g e sr e l a t i v et os l fm o d e li nt h es i m u l a t i o no fh 2 h et u r b u l e n tj e td i f f u s i o n f l a m e k e y w o r d s ：f l a m e l e tm o d e l ，p a r t i a l l yp r e m i x e d v a r i a b l e ，e n t h a l p yd e f e c t ，t u r b u l e n t i v f l a m e ，s c a l a rd i s s i p a t i o nr a t e ，p r o g r e s s c o m b u s t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及现状1 1 2 部分预混火焰数值研究1 1 3 湍流燃烧模型综述3 1 3 1 稳态火焰面模型( s l f ) 4 1 3 2 条什矩封闭模型( c m c ) 4 1 3 3 概率密度函数方法( p d f ) 5 1 4 多参数火焰面模型6 1 4 1 简化化学反应系统6 1 4 2 火焰而反应进度变量模型( f p v ) 7 1 4 3 包含焓损失的火焰而模型( e d f m ) 8 1 5 本文工作简介8 第二章层流部分预混火焰的数值研究9 2 1 前言9 2 2 数学物理方程9 2 3 数值方法和边界条件1 1 2 4 计算结果及分析11 2 4 1 组分l e 数对火焰结构的影响1 2 2 4 2 燃料预混程度对火焰结构的影响1 3 2 4 3 标量耗散率模型对火焰结构的影响1 4 2 4 4 层流部分预混火焰的熄火特性1 6 2 5 本章小结1 7 第三章二维同轴射流部分预混火焰的数值研究1 9 3 1 数学物理模型1 9 3 1 1d n s 控制方程1 9 3 1 2 火焰面模型2 0 3 2 数值方法2 1 i v 目录 3 3 计算结果及分析2 2 3 3 1 算例说明2 2 3 3 2 结果比较及分析2 3 3 4 本章小结2 6 第四章多参数火焰面模型2 7 4 1 基于r a n s 的控制方程2 7 4 2 火焰面模型2 8 4 2 1 稳态火焰面模型s l f 2 9 4 2 2 火焰面反应进度变最模型f p v 3 0 4 2 3 包含焓损失的三参数火焰面模型e d f m 3 l 4 3 数值方法3 2 第五章湍流火焰的多参数火焰面模型模拟3 5 5 1f p v 模拟s a n d i a 火焰d 和e 3 5 5 1 1s a n d i a 火焰d 和e 的算例说明3 5 5 1 2 网格独立性的验订f 3 5 第一章绪论 1 1研究背景及现状 第一章绪论 在t 业锅炉、内燃机、燃气轮机等实际动力装置中，燃烧室中的火焰兼有预 混火焰和扩散火焰的特征，称为部分预混火焰i l ，5 j 。比如在航空燃气轮机中，气 动喷嘴将液体煤油送入燃烧室的i _ j 时，与压缩空气发生混合，在其进口形成了当 量比非均匀的。口j 燃混合物，一旦遇到回流区的高温燃气，火焰就向主燃室中传播， 这就是一种典型的部分预混燃烧。随着燃料射流雷诺数增加，射流扩散火焰发生 抬举，并重新稳定在抬举i 亩度下的燃烧，也是一种典型的部分预混燃烧。液雾的 点火过程中，液滴先经过蒸发混合形成部分预混气，然后才着火形成部分预混火 焰。可见，在实际的燃烧装置中，绝人部分燃烧都包含有部分预混火焰的特征。 冈此开展部分预混火焰的研究工作非常重要。另外，燃烧室内扩散火焰采用钝体 产生回流或进口有旋射流产生中心回流区的方法来驻定，燃料与空气存回流区中 混合并发牛化学反应，牛成的高温产物在回流区中形成稳定的点火源。在回流区 下游，由于湍流混合形成火焰的颈部区域。对这部分i 又：域的模拟精确度，可以评 估燃烧模型模拟湍流与化学反应相互作用的精确程度。燃烧室内存在复杂的非定 常的湍流大涡旋拟序运动、非平衡的局部熄火及冉燃过程等。著名的s y d n e y 钝 体驻定h m 系列火焰1 2 】就涵盖了湍流和化学反应相互作用的众多特征，如火焰驻 定、局部熄火及再燃、污染物( n o x ) 排放等。其实验数据非常丰富，是湍流燃 烧研究中的标准系列火焰之一。对此类特征火焰开展深入的研究，发展湍流模型 和湍流燃烧模型，对设计和发展高性能的燃烧窒有重要的理论价值和实际应用价 值。 1 2部分预混火焰数值研究 一维层流对撞火焰之所以重要，是因为它能够比较方便的模拟层流火焰受到 流场拉伸作用下的响应情况。另一方而，针对这种结构的实验平台相对而言比较 容易搭建，从而能够直接对比这种火焰面模型近似的结果和实验结果。近年来， 很多学者更是舍弃了实际做实验的方法；而直接使用层流d n s 结果作为和火焰 面模型对照的数据，来研究比如火焰面模型的适用性等，此类十分基础的问题。 改变两股射流的当量比和挣伸率，部分预混的对撞火焰呈现单层、双层或三层火 焰结构，由于层流对撞火焰具有一维结构，直接数值模拟简单，是研究部分预混 火焰结构的基础。c d p e r e z s e g a r r a 等1 5j 讨论标量耗散率对层流部分预混对撞火 第一章绪论 焰结构的影响。文中认为在混合物空间下的火焰面方程解与在物理空问中直接求 解的主要区别来自于标量耗散率模型。研究发现：当燃料侧的预混当量比增大， 且在拉伸率较低的情况下，采用变密度的标量耗散率模型求解稳态火焰面方程与 在物理空间中得到的参考解之间的偏差也在增大。在这种情况下，作者建议采用 交互式火焰面模型，根据流场的信息及时更新标量耗散率的分布。但作者没有考 虑在计算稳态火焰面方程，l - 采用不同标量耗散率模型对计算结果的影响。 文献 7 】是2 0 0 9 年发表在能源与燃烧科学进展上的一篇讨论层流部分预混火 焰熄火的综述性文章。文章首先介绍火焰的熄火现象和火焰熄火的两种基本控制 方法，即物理控制和化学控制，其t l - 物理控制包括火焰拉伸和稀释剂两利，方式， 而化学控制主要是添加化学抑制剂抑制火焰的产生：详细分析部分预混火焰结 构，包括双火焰结构、三岔火焰以及边缘火焰等，并讨论重力、预混当量比以及 伴流速度( 在带有伴流的部分预混火焰中) 等因素对部分预混火焰结构的影响； 从理论、数值模拟和实验研究预混火焰、扩散火焰以及部分预混火焰的熄火特性， 具体讨论对撞火焰和带有伴流的抬举火焰，考虑燃料类型、稀释剂类型以及重力 等因素对熄火的影响。 l a w 等f 8 j 研究甲烷空气部分预混火焰结构及其熄火特性，指出随着拉伸率增 加，部分预混火焰中的预混反应区与扩散反应| 又：逐渐融合，并最终熄火。x u e 和 a g g a r w a l1 9 j 采用详细反应机理研究甲烷卒气和庚烷卒气两种部分预混火焰的熄 火特性，指出部分预混火焰的熄火拉伸率随着预混当量比的增大而减小，即相对 丁扩散火焰，部分预混火焰史彳i 易熄火。s e i s e r 等i iu j 研究对撞的三又火焰熄火特 性，在燃料侧加入少量氧化剂，在氧化剂侧加入少量燃料，用这种力式产牛对撺 的二义火焰。b r i o n e s 掣研究带有伴流的甲烷空气部分预混火焰，在燃料流中 加入稀释剂n 2 和c 0 2 的火焰熄火特征。 在研究一维层流部分预混火焰的基础上，通过水解维火焰面控制方程，建 立层流火焰而数据库，并对数据库进行统计平均得到湍流火焰而数据库，将这种 层流或者湍流火焰面数据库应用到c f d 流场计算中，是目前国际上采用非交互 火焰面模型模拟多维火焰的主要方法。需要指出的是，建库过程刈以针对预混火 焰或者扩散火焰，控制方程可以是存物理空间中，也可以存混合物分数空间下。 基于此，国际上发展了各利，不同的火焰面思想。 文献f 3 6 】由同西班牙加泰罗尼亚理工学院一个研究小组发表的网篇系列文 章讨论层流火焰面模型。此小组的工作主要关注于多维情况下，部分预混层流伴 流c h 4 火焰特性以及火焰而概念及相关模型适用性。 l v e r v i s c h 等l l2 j 采用预混火焰建立火焰面数据库，即f p i 模型模拟对撞的部 分预混火焰和扩散火焰，指出燃料侧预混当量比在可燃性极限范围内时，f p i 模 2 第一章绪论 型能够很好的模拟这利- 部分预混火焰；预混当量比超出这个范同时，f p i 模型模 拟结果欠佳，因此引进描述部分预混火焰的特征参数，即火焰指数。并发展一个 新的火焰指数表达式，认为可以依据火焰指数提供的信息，发展南预混火焰和扩 散火焰联合建立火焰而数据库的方法模拟部分预混火焰。但目前采用扩散火焰建 立火焰面数据库的火焰面模型，模拟部分预混火焰的讨论却很少。 s a n d i a 火焰部分预混程度较低，主要呈现扩散火焰的特征，但是随着湍流强 度增加，火焰颈部具有强烈的局部熄火现象；局部熄火后的混合气再燃过程中存 在部分预混火焰，所以研究部分预混的s a n d i a 火焰e 和f ，对理解扩散火焰局 部熄火及再燃过程- l i 的机理有重要作用。 1 3湍流燃烧模型综述 根据求解湍流尺度的不同，c f d 有一类方法：雷诺平均模拟( r a n s ) 、大 涡模拟( l e s ) 和直接数值模拟( d n s ) 。r a n s 方法是对瞬态摔制方程采用f a v r e 平均( 即密度加权平均) ，平均后的控制方程中未封闭的雷诺应力项采用湍流模 型封闭，湍流输运通量采用梯度输运模型，化学反应源项采用湍流燃烧模型模拟， 求解得到反映流场信息的统计平均值。r a n s 方法足对湍流所有尺度的运动均采 刷模型计算，计算量较小，给出的流场信息也相对较少。l e s 方法对湍流的大尺 度涡旋进行直接数值求解，小尺度涡旋采用亚格了模型模拟，控制方程通过过滤 函数对瞬态控制方程过滤得到。l e s 力法能够给出反映湍流特性的低频脉动的流 场信息。目前l e s 方法用于湍流燃烧数值模拟时，过滤平均的化学反应速率项 的计算仍然很困难，因为化学反应发生在湍流最小尺度内，平均化学反应速率的 计算难度和r a n s 遇到的难度差不多。湍流燃烧大涡模拟的皿格子燃烧模型基 本上是沿用r a n s 方法发展的燃烧模型，但由tl e s 直接求解大尺度湍流运动， 能够为小尺度混合模型提供更多的信息，从而提高亚格子燃烧模型计算结果的准 确性。d n s 方法对瞬态n s 方程进行直接水解，采用极小的时间和空间步长分 辨湍流场中的细微涡旋结构和高频湍流脉动。这种方法对例格、边界条件以及差 分格式有更严格的精度要求。d n s 方法的实现得益于高性能计算机的快速发展， 主要用于机理研究，如火焰与湍流的相互作用等基础问题 1 3 1 4 】。 对湍流扩散和部分预混燃烧的数值模拟包含两部分内容：燃料与氧化剂的混 合过程和火焰结构的描述。发展出两类描述火焰的燃烧模型：原始变量法，预先 求解火焰的控制方程( 即温度和组分方程) ，这类燃烧模型包括火焰面模型和 c m c 模型，而在流场中温度和组分方程不再求解，且化学反应源项不需要模型 模拟，在流场中需要求解质量方程、动量方程以及若干个参数的输运方程。这种 3 第一章绪论 方法的优点是显著的节省计算时间；反应速率法，即对化学反应源项直接进行模 拟。这种方法由于是对反应源项进行模拟，因此可以考虑各种因素的影响( 如辐 射热损失、非稳态效应) 。 在模拟包含扩散、预混及部分预混燃烧以及有非平衡的点火及传播、局部熄 火及再燃过程的复杂燃烧流场时，快速反应假定的湍流燃烧模型不再适用，必须 发展能够考虑详细机理的有限反应速率湍流燃烧模型。在流动和化学反应相互作 用机理的研究基础上，对燃烧场进行适当的解耦及减少详细的化学反应计算时 间，是发展湍流燃烧模型及数值模拟的一个重要研究方向。 1 3 1 稳态火焰面模型( s l f ) w i l l i a m s 于l9 7 5 年首次提出将湍流扩散火焰看成层流拉伸火焰面的系综这 一概念。上世纪八十年代初，p e t e r s l l 5 1 推导得到完整的基于混合物分数空间的火 焰面方程，并通过忽略方程中的瞬时项和一些量级较小项，提出稳态火焰面模型 ( s l f ) 。火焰面思想认为化学反应发生住燃料与氧化剂当量混合的薄层上，且 这个化学反应薄层的长度尺度相对丁k o l m o g o r o v 长度尺度为小量。通常用火焰 厚度表征溥层的长度尺度，当火焰厚度与k o l m o g o r o v 长度尺度量级相当或更大 时，小尺度涡旋能够穿越火焰面结构，对火焰结构产生影响甚至破坏，湍流强度 达到一定值将导致火焰的熄火。 通过预先计算火焰面方程，建立火焰面数据库；另一方面，在流场计算l - 求 解杏库参数的输运方程，并查询火焰面数据库。火焰面模型通过这种方式完成化 学反应与湍流相互作用的封闭。这种方法有效的减小了计算量，因此详细反应机 理和不同组分l e 数在计算中均是可以考虑的。已经确定的是，稳态火焰而模型 能够精确模拟化学反应无限快、湍流尺度相对较人的一类燃烧。同时由于模型中 忽略了一些项，在模拟火焰的熄火及再燃等非稳态特征时，稳态火焰面模型的燃 烧机制不再适用。稳态火焰而模型得剑了众多研究者的改进，如考虑火焰的瞬时 效应，考虑标量耗散率的强脉动特征，以及稳态火焰面中忽略的其他量级小的项。 这些改进模型对于模拟湍流火焰中的熄火再燃现象，以及慢反应组分的生成如 n o x 、c o 以及炭黑均提供重要帮助。 1 3 2 条件矩封闭模型( c m c ) k l i m e n k o 1 6 1 和b i l g e r l l 7 1 各自提出适用于湍流扩散火焰的条件矩封闭燃烧模型 ( c m c ) ，他们推导得到基于混合物分数条件平均的反应标量输运方程。条件矩 封闭模型的基本思想是：由于在湍流燃烧场中，组分质量分数和温度都有很强的 4 第一章绪论 脉动，使计算平均化学反应速率变得很困难。但研究表明，在很多情况下组分质 量分数和温度的脉动可以与某个标量的脉动值存在联系。在扩散火焰中这个标量 通常选择混合物分数z 。此外，c m c 模型也被应用于模拟预混火焰，条件标量 为反应变量c 。以该标量作为条件，推导出组分质量分数和温度的条件平均方程， 方程中需要对化学反应速率的条件平均值进行模拟，条件平均的化学反应速率通 常近似的用组分质量分数和温度的条件平均值计算得到。采用条件平均标量对应 的化学反应源项取代条件s f 均的化学反应源项，即得到一阶c m c 模型。一阶 c m c 模型在模拟带有回流结构的扩散火焰以及自动点火过程的液雾燃烧均取得 了成功。但对十燃烧场i l ，出现熄火再燃现象时，。阶模型模拟精度不够，需要采 用二阶c m c 模型。k r o n e n b u r g 提出改进的二阶c m c 模型，即引入双标晕条件 平均c m c 模型，以混合物分数和显焓作为条件平均标量，模拟具有强熄火及冉 燃特性的湍流燃烧场，与d n s 计算结果吻合很好。另外，c m c 模型成功的模拟 具有部分预混火焰特征的抬举火焰。 1 3 3 概率密度函数方法( p d f ) 采用p d f 方法模拟湍流燃烧最早是在上世纪七八十年代。p d f 方法通过求 解流场中单点的概率密度方程得到流场物理量如速度和反应标量的联合概率密 度函数。在p d f 模型中，p d f 输运方程中的化学反应源i 贞足封闭的，理论上对 燃烧不需要进行任何假设，即p d f 方法可以模拟任何形式( 预混、扩散和部分 预混) 的燃烧问题。p o p e i l8 1 9 j 提出较精确的p d f 模型，即求解速度、粘性耗散 和反应标量的联合概率密度函数的输运方程，但方程中没有考虑标量梯度。 d o p a z o 在此基础上提出联合速度、速度梯度、反应标晕及其梯度的概率密度函 数方法。在这组方程中描述流场的对流项和化学反应源项是封闭的。因此p d f 方法的封闭问题转移到混合问题上，仍需要给出混合模型。常用的混合模型包括： i e m 模型、m c 模型、l m s e 模型以及e m s t 模型。p d f 输运方程的维数相当高， 有限容积法和有限差分数值方法无法适用于求解这组方程。因此需要采用特殊的 数值方法m o n t ec a r l o 方法，这种方法在求解高维度方程组时具有独特优势， 计算= 晕= 仅与维度成线性关系。m o n t ec a r l o 方法中颗粒存流场中有两种存在形式 即：同定在网格点上不动和在流场中运动。前者适用于标量p d f 方程求解，容 易实现，且收敛容易，但空间精度不高，仅为一阶。后者计算精度高，且适用范 围j “，被广泛使用。在计算中为考虑详细反应机理，p o p e 提出自适应建表( i s a t ) 的方法极大的减4 , 圣- i 笄量。随着激光检测技术的发展，t n f 工作组对s a n d i a 火 焰d 、e 和f 进行精确测副2 0 】。在第2 8 届同际燃烧会议卜，文献【2 l 】报导了p d f 方法成功的模拟这类火焰。x u 和p o p e l 2 2 j 指出火焰的当地熄火程度与射流速度和 5 第一章绪论 射流轴向距离呈函数关系。p d f 方法同样也适用于模拟钝体驻定火焰。 1 4多参数火焰面模型 近年来，针对火焰面模型国际上发展了两大类方法：非交互式火焰面模型和 交互式火焰面模型。稳态火焰面模型( s l f ) 、火焰面反应进度变量模型( f p v ) 以及考虑焓损失的火焰面模型( e d f m ) 均是典型的非交互式火焰面模型。在1 2 1 节中提到稳态火焰而模型不能准确预测慢反应过程、污染物生成以及局部熄火再 燃等问题。f p v 模型引进非守恒标量反应进度变量c ，表征流场中的反应进 程，这种方法成功的捕捉到火焰的局部熄火及冉燃现象。而e d f m 模型考虑燃 烧反应中的焓损失，对于预测污染物生成有着明显的改善。交互式火焰而模型是 指火焰面数据库并不是预先计算完成的，而足c f d 流场计算与火焰面方程求解 二者耦合求解相互提供数据信息完成。这种方法既体现了湍流与化学反应之间的 相互作用，同时还保留火焰面模型的优点，即将刚性很强的化学反应的计算与流 场计算分离求解。典型的交瓦式火焰面模型包括：r 1 f ( r e p r e s e n t a t i v ei n t e r a c t i v e f l a m e l e t ) 火焰面模型、l a g r a n g i a n 火焰面模型以及e u l e r i a n 火焰面模型。木文 涉及的火焰面模型均是非交互式火焰面模型，因此这里不对交互式火焰面模型作 过多介绍。 1 4 1 简化化学反应系统 在燃烧系统中，大多数火焰的化学反应时间和空间尺度都很小，同时需要求 解的组分输运方程又很多，因此通过减少求解的输运方程个数来减小计算量成为 燃烧数值模拟的利- 趋势。简化化学反应系统主要有两种思路，。利，是对详细反 应机理进行简化，使用较少的重要基元反应描述整个反应系统，这种方法忽略一 些重要反应导致精度不高；另一种思路是对反应系统中时间尺度进行分析，确定 反府一f 一的快反应过程，并将其与流动解耦，达到降低反应系统维度和刚性的口的。 这种方泫较前者史为精确，被广泛采用。基丁这种思路发展了三类简化方法： p e t e r s 等提出的反应系统简化技术：奇异摄动计算方。法( c s p ) ；同有低维流形方 法( i l d m ) 。这二二种方法均采用不同形式确定反应系统中的快反应过程。第一种 方法将特定的组分和反应进行准稳态假设，需要详细考察化学反应路径及其时间 尺度来确定特征反应。对于高碳燃料的反应详细反应机理，这种方法工作量过大。 c s p 方法和i l d m 方法均是基于化学反应源项的j a c o b i a n 矩阵分析得到化学反应 的时间尺度。c s p 方法是通过计算奇异摄动来确定反应系统中的快反应时间尺 度，是种最精确的方法。但由于简化过程是随反应进程动态进行的，确定的准 6 第一章绪论 稳态组分也可能随反应进程而改变。i l d m 方法则是对化学反应源项的j a c o b i a n 矩阵的特征值和特征向量分析以确定准稳态的快反应组分。忽略系统中反应时间 尺度小于某值的快反应过程，表征慢反应过程的特征向量即构成在原始相空间中 的子空间低维流形。低维流形中的慢反应进程足以捕述整个反应系统的进 程，且只由少数几个变量确定。因此，火焰的特征可以由构成低维流形的这些变 量确定，即反应标量与这些变量成函数关系，且建立的火焰面数据库的维度等于 描述慢反应过程的变量的个数。在简化化学反应系统i l d m 方法的基础上，发展 两类火焰面模型即f l a m e l e t g e n e r a t e dm a n i f o i d s 方法( 简称f g m ) 和f l a m e p r o l o n g a t i o no fi l d m 方法( 简称f p i ) 。这两类方法均是基于预混火焰建立火焰 面数据库，用来模拟预混、部分预混以及扩散火焰。本文主要是针对扩散火焰建 库，因此对这两类方法不作介绍。 1 4 2 火焰面反应进度变量模型( f p v ) s t a n f o r d 大学的p i e r c e 和m o i n l 2 3 于2 0 0 1 年提出f p v 方法，并与l e s 方法结 合成功的模拟湍流射流s a n d i a 火焰d 。我们知道火焰面方程的解可以由s 型曲 线表征，曲线分为三部分u p p e rb r a n c h 、m i d d l eb r a n c h 和l o w e rb r a n c h ，分别代 表火焰的i 种燃烧状态即稳定燃烧、不稳定燃烧和熄火状态。而稳态火焰面以标 量耗散率这一参数作为查库参数时，不可避免的需要忽略中间段的解。为解决这 一问题，考虑湍流火焰t i 一的非稳态特征，p i e r c e 等首次将反应进度变量c 引入 到火焰回模型中，并将这一非守恒标量代替稳念火焰面中标量耗散率。这样s 型曲线上表征的每个层流火焰面状态均与反应进度变量呈单调的函数关系。因 此，建立的火焰而数据库包含从火焰稳定燃烧到熄火的完整信息。关于反应进度 变量的定义，p i e r c e 和m o i n l 2 3 2 4 1 给出了由主要组分质量分数的线性组合。在f p v 方法中，包含i 层假定：首先，假定反应标量妒是混合物分数z 和反应进度变量 c 的函数：其次，关于z 和c 的联合概率密度统计认为者统计独立；最后， 关于z 的概率密度分布通常采用b e t a 函数分布，c 采用d e l t a 函数分布。l h m e 和 p i t s c h 等【2 5 2 7 1 在p i e r c e 等人的研究基础上发展出扩展的f p v 模型，即提出了一种 新的反应进度变量的概率密度分布( 即s m l d ) 代替之前使用的d e l t a 函数分布， 用于模拟火焰中的熄火及冉燃现象，并成功的模拟带有值班火焰的湍流射流 s a n d i a 火焰d 和e 。b a b a 和k u r o s e 采用总焓作为反应进度变量，实现将f p v 方 法应用于模拟液雾两相流燃烧中。上述这些研究者均是基于求解稳态火焰面方程 建立火焰面数据库，因此也将这种方法简称之s f p v ( s t e a d yf p v ) 。l h m e 和s e e l 2 副 发展u n s t e a d yf p v 方法( 即u f p v ) 模拟抬举的甲烷空气射流火焰( 即c a b r a 火焰) 的自动着火过程。这种方法考虑火焰在自动点火过程中反应标量随时问变化的瞬 7 第一章绪论 时效应。与s f p v 方法相比，u f p v 方法模拟火焰的自动着火过程更精确。 1 4 3 考虑焓损失的火焰面模型( e d f m ) 考虑焓损失的火焰面模型最早由b r a y 和p e t e r 提出，他们认为在火焰面方程 中考虑火焰辐射与在真实火焰中考虑火焰辐射存在很大区别。火焰面模型中认为 火焰辐射发生在很薄的火焰高温区。而真实火焰巾辐射不仪影响当地的火焰参数 ( 如温度、组分) ，还对整个火焰产生影响。为考虑火焰辐射对多尺度的湍流火 焰的影响，他们建议在流场中增加求解带有辐射源项的焓的输运方程。m a r r a c i n o 和l e n t i n i 2 9 】成功的实现了这利- 方法。m o s s 等1 3 0 , 3 1 j 在此基础上发展考虑碳黑辐射 的火焰面模型。一个标量耗散率值对应一组火焰面，而对每一组火焰面均需要考 虑焓损失，凶此火焰面数据库多出一个维度。通过给定若干个数的不l 一的焓损失 值求解火焰而方程，得到完整的火焰而数据库。需要指出的是，由于考虑焓损失， 这种方法在边界上的温度值有可能低于给定温度值，因此需要人为的将低于边界 温度的值设定为等于边界温度值。因此，这利一方法更适合于模拟边界影响较小的 火焰，如s a n d i a 火焰中一系列的射流火焰。为修正这种方法，c a r b o n e l l 等1 6 j 存 辐射模型中引入一个调节系数，通过改变其大小米控制焓损失程度，在边界处自 然衰减为零。同时引进无量纲的焓损失值作为一个新的火焰面查库参数。 1 5 本文工作简介 综上所述，本文针对具体的研究问题，开展对层流部分预混火焰、湍流射流 火焰以及湍流钝体驻定火焰的数值模拟。下面分章节介绍本文的主要工作。 第二章研究层流部分预混火焰结构，并讨论不同组分l e 数、部分预混程度 以及标量耗散率模型对火焰结构的影响。同时研究层流部分预混火焰的熄火特 件。 第三章采州发展的f p v 方法，建立层流火焰面数据库，模拟二维层流部分预 混火焰。 第四章介绍基于r a n s 力法下发展的双参数火焰面模型f p v ，以及三参数的 包含焓损失火焰而模型e d f m 。 第五章针对发展的两个多参数火焰面模型，选择t n f 工作组发布的三种标 准火焰进行数值模拟。对s a n d i a 火焰d 和e 采用f p v 方法模拟，同时与s l f 、 e d c 燃烧模型进行比较；采用f p v 模型模拟钝体驻定火焰h m1 ；采用e d f m 模型模拟湍流射流h 2 h e 火焰。 第六章总结全文并展望今后工作。 8 第_ 章层流部分预混火焰的数值研究 2 1 前言 第二章层流部分预混火焰的数值研究 由于部分预混火焰既有预混火焰特性又有扩散火焰特性，包含有多个反应 区，即包含有双火焰结构、三岔火焰以及边缘火焰等复杂结构。例如，双火焰结 构包含有两个反应区，即燃料侧的富预混区和氧化剂侧的非顸混区；三岔火焰包 含有三个反应区，即燃料侧的富预混区、氧化剂侧的贫预混区以及处_ 丁二者中间 的非预混区。这些反应区在空间上分离，但在化学热力学和流体动力学作用下又 相互依存，因此相比预混和扩散火焰，部分预混火焰的熄火特性有着重大差异。 研究层流部分预混火焰的基本结构特征及熄火特性，对于研究湍流火焰的熄火、 局部熄火再燃、液雾两相流燃烧、火焰与涡旋之间的相互作用等机理具有重要的 指导意义。 本章基于p i t s c h 等【3 2 】开发的f l a m e m a s t e r 程序模拟维层流部分预混对撞火 焰，研究组分扩散、燃料侧部分预混程度对部分预混火焰结构的影响；比较常用“ 的三种标量耗散率模型对火焰结构的影响，最后分析火焰的熄火特性。 2 2 数学物理方程 图2 1 为平面对撞拉伸火焰的示意图。两股对立的射流，分别为燃料流和氧 化剂流，其中燃料流为燃料与空气的混合气体，采用当量比驴表征燃料流中燃料 与窄气的预混当量比。氧化剂流为争气。当少值在一定区问内时，两股射流对冲 形成部分预混火焰的两个反应区，即预混反应区和扩散反应区。 l 图2 1 平板对撞的部分预混火焰结构 数值研究此类对撞火焰结构时，可以通过两类方法，一种是直接在物理空问 9 第_ 章层流部分预混火焰的数值研究 内求解控制方程，得到火焰面结构及火焰动力学特性。另一类方法是研究扩散火 焰的方法，求解混合物分数空间的火焰面方程。本文以物理空间中对撞火焰的求 解结构作为参考解，比较不同情形下混合物分数空间中火焰面方程的求解结果。 在物理空间中的控制方程采用k e e 等发展的将二维平板对撞火焰简化为一 维火焰的形式，即对原始的二维对撞火焰控制方程进行m o o r e s t e w a r t s o n 相似性 转变。计算时，忽略体积力的影响、s o r e t 效应和火焰辐射。具体方程形式及求 解方法参见文献 3 3 。 忽略辐射、s o r e t 效应以及其它量级较小的项，b a r t h s 纠4 i 】得到如下形式的一 维火焰面方程： 上互善+ 瑰：0 2 l e , o z 2 ( 21 ) 一c p p z 宴+ 丛笠望一夕一 + 囊c p , p z o r , 一a t ：0 2o z ：2a za z 智”百2 l e , a zo z f 22 、 其中，z 为混合物分数，采用b i i g e r 定义1 3 4 i 计算：l e 为刘易斯数：标量耗散率 表征流场对火焰结构的影响，其值的大小反映偏离化学反应平衡状态的程度，也 是联系物理空