湍流燃烧数值模拟的研究与进展

1、湍流燃烧数值模拟湍流燃烧数值模拟北方交通大学机电学院动力系北方交通大学机电学院动力系李李 国国 岫岫 的研究与进展的研究与进展一、基本概念与基本原理一、基本概念与基本原理二、湍流燃烧数值模拟研究状况二、湍流燃烧数值模拟研究状况三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟五、其他湍流火焰数值模拟的实例五、其他湍流火焰数值模拟的实例六、湍流燃烧数值模拟的进展六、湍流燃烧数值模拟的进展内容内容 1、什么是湍流（、什么是湍流（turbulence） （1）现象：）现象：流体的运动状态可以分为层流和湍流体的运动状态可以分为层流和湍 流，当流

2、动的特征雷诺数（流，当流动的特征雷诺数（ ）超过）超过 相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。 （2）定义：）定义：无无一、基本概念与基本原理一、基本概念与基本原理ulRe（3）基本特征）基本特征v 大雷诺数下的流体运动大雷诺数下的流体运动v 湍流的涡团结构和小涡团的随机性湍流的涡团结构和小涡团的随机性v 有旋的和三维的有旋的和三维的v 极强的扩散性和耗散性极强的扩散性和耗散性v 是流动的属性，而非流体的属性是流动的属性，而非流体的属性v 大尺度问题具有拟序性（大尺度问题具有拟序性（Coherence）和间歇性）和间歇性 （intermittence）一、基本

3、概念与基本原理一、基本概念与基本原理2、湍流燃烧（、湍流燃烧（Turbulent Combustion） 又称为：湍流反应流（又称为：湍流反应流（Turbulent Reactive Flows） （1）燃烧）燃烧 一种带剧烈放热化学反应的流动现象。一种带剧烈放热化学反应的流动现象。 （2）湍流燃烧）湍流燃烧 一种极其复杂的带剧烈放热化学反应的湍流一种极其复杂的带剧烈放热化学反应的湍流 流动现象。流动现象。 （湍流化学反应传热传质）（湍流化学反应传热传质）一、基本概念与基本原理一、基本概念与基本原理（a）特征：）特征： 强非线性强非线性 高度耦合和关联高度耦合和关联 高度随机性高度随机性（b）

4、复杂性：）复杂性： 湍流问题湍流问题 湍流与燃烧的相互作用（湍流与燃烧的相互作用（Interaction） 流动参数与化学动力学参数之间的耦合机理流动参数与化学动力学参数之间的耦合机理一、基本概念与基本原理一、基本概念与基本原理3、 湍流燃烧数值模拟（湍流燃烧数值模拟（Numerical Simulation） 应用计算机为工具，将流体力学、传热学、化学反应应用计算机为工具，将流体力学、传热学、化学反应 动力学和数值计算方法相结合所得到的求解化学流体动力学和数值计算方法相结合所得到的求解化学流体 力学基本方程的理论和方法。力学基本方程的理论和方法。计算机计算机 流体力学传热传质学化学反应动力学

5、流体力学传热传质学化学反应动力学 数值计算方法数值计算方法湍流燃烧数值模拟湍流燃烧数值模拟 一、基本概念与基本原理一、基本概念与基本原理 （1）通过数值模拟，可以求出各种模型的数值解，）通过数值模拟，可以求出各种模型的数值解， 检验、发展和优化理论模型。检验、发展和优化理论模型。 （2）深入认识现有湍流燃烧的特征，进一步揭示）深入认识现有湍流燃烧的特征，进一步揭示 其共性。其共性。 （3）为工业装置的设计和优化提供理论分析依据。）为工业装置的设计和优化提供理论分析依据。作用：作用：一、基本概念与基本原理一、基本概念与基本原理二、湍流燃烧模拟研究状况二、湍流燃烧模拟研究状况1、基本思想、基本思想

6、 分别独立描述湍流流动和化学反应过程，分别独立描述湍流流动和化学反应过程， 然后考虑湍流流动和化学反应的相互作用。然后考虑湍流流动和化学反应的相互作用。 在描述流动的守恒方程组中的能量方程和在描述流动的守恒方程组中的能量方程和组分方程中，由于存在化学反应而产生的源项，组分方程中，由于存在化学反应而产生的源项，即称为化学反应源项。表示化学反应中能量的即称为化学反应源项。表示化学反应中能量的释放速率和组分的生成（消耗）率，它是反应释放速率和组分的生成（消耗）率，它是反应物浓度和反应流体温度的强非线性函数。物浓度和反应流体温度的强非线性函数。如何如何准确计算化学反应速率便成为湍流燃烧数值模准确计算化

7、学反应速率便成为湍流燃烧数值模拟的中心任务。拟的中心任务。2、问题描述、问题描述二、湍流燃烧模拟研究状况二、湍流燃烧模拟研究状况 致力于非线性源项的封闭和湍流流动与致力于非线性源项的封闭和湍流流动与 化学反应的耦合与关联的研究化学反应的耦合与关联的研究3、根本目标、根本目标二、湍流燃烧模拟研究状况二、湍流燃烧模拟研究状况4、目前研究所关注的主要问题、目前研究所关注的主要问题 （1） 湍流流动与化学反应之间的相互作用湍流流动与化学反应之间的相互作用组分浓度及温度脉动组分浓度及温度脉动而强化组分的混合与传热而强化组分的混合与传热 迅速放热而引起密度变化，迅速放热而引起密度变化，同时使流体输运系数变

8、化同时使流体输运系数变化湍流流动湍流流动化学反应化学反应二、湍流燃烧模拟研究状况二、湍流燃烧模拟研究状况 （2） 强非线性源项强非线性源项 湍流燃烧模拟的中心问题湍流燃烧模拟的中心问题 反应率的时均值反应率的时均值 时均值的反应率时均值的反应率（3） 需考虑密度变化而引起的封闭问题需考虑密度变化而引起的封闭问题（4） 各标量（如温度、组分等）与速度的脉动各标量（如温度、组分等）与速度的脉动 耦合量及标量的强非线性源项的封闭问题耦合量及标量的强非线性源项的封闭问题二、湍流燃烧模拟研究状况二、湍流燃烧模拟研究状况5、湍流燃烧数值模拟的核心问题：、湍流燃烧数值模拟的核心问题： 湍流反应率的封闭问题湍

9、流反应率的封闭问题 湍流反应率的影响因素湍流反应率的影响因素 湍流混合湍流混合 分子扩散分子扩散 化学动力学化学动力学二、湍流燃烧模拟研究状况二、湍流燃烧模拟研究状况（一）（一） 湍流模拟湍流模拟（二）（二） 湍流燃烧相互作用模型湍流燃烧相互作用模型（三）（三） 化学反应模型化学反应模型三、湍流燃烧数值模拟的主要模型三、湍流燃烧数值模拟的主要模型直接数值模拟（直接数值模拟（DNS）大涡模拟（大涡模拟（LES）湍流输运模型湍流输运模型双流体模型双流体模型湍流粘性系数模型湍流粘性系数模型 雷诺应力模型雷诺应力模型（RSM）代数代数RSM微分微分RSM零方程模型零方程模型单方程模型单方程模型双方程模

10、型双方程模型湍流模拟湍流模拟（一）（一） 湍流模拟湍流模拟三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型1、 直接数值模拟直接数值模拟（DNS） 直接数值求解非定常（瞬态）三维直接数值求解非定常（瞬态）三维 Navier Stokes（NS）方程，来确定和描述湍流流）方程，来确定和描述湍流流 动过程。动过程。特点：特点： 无需任何模型，计算结果足够精确。无需任何模型，计算结果足够精确。特征：特征： 空间尺度上，要求计算区域足够大，以空间尺度上，要求计算区域足够大，以 包含和分辨最大尺度的湍流涡团，同时包含和分辨最大尺度的湍流涡团，同时 计算网格尺寸又要足够小，以模拟湍流计算网格尺寸又要足

11、够小，以模拟湍流 的最小涡团。的最小涡团。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型特征：特征： 时间尺度上，时间必须大于大涡的时间尺度上，时间必须大于大涡的 时间尺度，同时计算步长又要小于时间尺度，同时计算步长又要小于 小涡的时间尺度。小涡的时间尺度。缺点：缺点： 计算量是计算量是 的量级，计算成本极的量级，计算成本极 高，目前只适用于低雷诺数和简单高，目前只适用于低雷诺数和简单 几何形状的湍流流动。几何形状的湍流流动。3Re三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型基本思想：基本思想：认为大尺度涡是高度各向异性的，小尺认为大尺度涡是高度各向异性的，小尺 度涡是近似各向同

12、性的。采用滤波器对度涡是近似各向同性的。采用滤波器对 NS方程进行滤波，保留大涡特征，消方程进行滤波，保留大涡特征，消 除小涡特征，对大涡进行直接模拟，对除小涡特征，对大涡进行直接模拟，对 小涡引入亚网格尺度模型进行模拟。小涡引入亚网格尺度模型进行模拟。2、大涡模型（、大涡模型（LES） 特点：特点： 对对DNS的近似，保证一定精度的前提下，的近似，保证一定精度的前提下， 可以降低计算成本。可以降低计算成本。缺点：缺点： 计算成本仍较高。计算成本仍较高。 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型3、 湍流输运模型湍流输运模型基本思想：基本思想：将瞬态将瞬态NS方程的瞬时量分解为时均

13、值方程的瞬时量分解为时均值 和脉动值之和（雷诺分解），再取时和脉动值之和（雷诺分解），再取时 间平均，得到雷诺时均方程。然后利用间平均，得到雷诺时均方程。然后利用 某些模拟假设，将方程中的高阶的未知某些模拟假设，将方程中的高阶的未知 关联项用低阶项或时均量来表达，从而关联项用低阶项或时均量来表达，从而 使雷诺（使雷诺（Reynolds）时均方程封闭。）时均方程封闭。 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 雷诺时均方程雷诺时均方程 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型0)(1jjxrUriUijijijjijSxPuuxUrxrxUrUr11)(1 湍流模型中心问

14、题湍流模型中心问题 对于脉动速度相关矩对于脉动速度相关矩 （雷诺应力），（雷诺应力），通过一定的假设，建立关于雷诺应力的数学表通过一定的假设，建立关于雷诺应力的数学表达式或可以求解的输运方程。达式或可以求解的输运方程。jiuu三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（1） 湍流粘性系数模型湍流粘性系数模型 Boussinesq于于1887年提出年提出 ltkct2/1kxUxUuuijijjitji32)(/2kctltvctt三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（1） 双方程模型双方程模型k三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型kkktkkkPxkr

15、xrkrUxr11kCPkCxrxrrUxrkktkkk22111（1） 双方程模型双方程模型优点：优点：对于简单的流动情况，（平壁边界层、无浮对于简单的流动情况，（平壁边界层、无浮 力平面射流、管流、尾迹流）能给出相当满力平面射流、管流、尾迹流）能给出相当满 意的计算结果，计算工作量小。意的计算结果，计算工作量小。缺点：缺点：对于复杂的流动（旋流、浮力流、曲壁边界对于复杂的流动（旋流、浮力流、曲壁边界 层、圆射流）层、圆射流） 无法准确描述，甚至无法给出无法准确描述，甚至无法给出 正确的结果，缺乏普适性。正确的结果，缺乏普适性。 k三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（2）雷

16、诺应力模型（）雷诺应力模型（Reynolds Stress Model ）三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型jiuuijijijljijisklkjikkSPxuuuukCrxruurUxr11kjkikikjijxUuuxUuuPkkijijijjiijPPCkuukC313221kCPkCxuukCrxrrUxrkljisklkkk22111（2）雷诺应力模型（）雷诺应力模型（Reynolds Stress Model ）基本思想：基本思想：利用瞬时利用瞬时N-S方程和方程和Reynolds时均方程，时均方程， 直接推导出雷诺应力的输运方程，然后直接推导出雷诺应力的输运方

17、程，然后 再对输运方程中的未知项进行模拟。再对输运方程中的未知项进行模拟。优点：优点： 可以较为准确描述突扩回流、钝体回流、可以较为准确描述突扩回流、钝体回流、 旋流、浮力流等复杂流动，具有更广的旋流、浮力流等复杂流动，具有更广的 适用范围、适用范围、 更高的预测能力、更好的计更高的预测能力、更好的计 算精度。算精度。缺点：缺点： 计算工作量仍较大计算工作量仍较大 。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型(a) 微分雷诺应力模型（微分雷诺应力模型（DRSM）(b) 代数雷诺应力模型（代数雷诺应力模型（ASM） 某些情况下（高剪切的流动，局部平衡的湍某些情况下（高剪切的流动，局部平

18、衡的湍流），可以消去微分雷诺应力方程中的对流与扩流），可以消去微分雷诺应力方程中的对流与扩散项，方程转化为代数方程。使计算量减小。散项，方程转化为代数方程。使计算量减小。 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型1 关联矩模型关联矩模型2 Arrhenius 公式公式3、 EBU模型（模型（EddyBreak-up Model）4 快速反应模型快速反应模型5 特征时间模型特征时间模型6 简化简化PDF模型模型7 PDF输运方程模型输运方程模型（二）湍流燃烧相互作用模型（二）湍流燃烧相互作用模型三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 湍流燃烧数值模拟的核心问题：湍流燃烧

19、数值模拟的核心问题： 湍流反应率的封闭问题湍流反应率的封闭问题 湍流反应率的影响因素湍流反应率的影响因素 湍流混合湍流混合 分子输运分子输运 化学动力学化学动力学三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型1、关联矩模型、关联矩模型 时均反应率时均反应率 ),(2121212 21TYTYYYYTTYYfs1212 ,TYYYT相关矩相关矩 等是新的未知数，等是新的未知数，需要进行模拟。需要进行模拟。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型2、Arrhenius公式公式 简化化学反应系统简化化学反应系统)/exp(2TREmmARoxfufu特征：特征： 只考虑化学反应动力

20、学的作用。只考虑化学反应动力学的作用。缺点：缺点： 未考虑湍流混合、分子输运两方面未考虑湍流混合、分子输运两方面 的因素。的因素。 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型假设：假设：认为化学反应率取决于未燃气微团在湍认为化学反应率取决于未燃气微团在湍 流作用下破碎成更小微团的速率流作用下破碎成更小微团的速率公式：公式：特征：特征：突出湍流混合对燃烧速率的控制作用。突出湍流混合对燃烧速率的控制作用。缺点：缺点： 未能考虑分子输运和化学动力学因素的未能考虑分子输运和化学动力学因素的 影响，过于粗糙。影响，过于粗糙。yumCRfuEBUTfu,3、EBU模型（模型（EddyBreak-

21、up Model）三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 快速反应假设：假设化学反应速率与湍流快速反应假设：假设化学反应速率与湍流混合（扩散）速率相比无穷快。即湍流燃烧过混合（扩散）速率相比无穷快。即湍流燃烧过程由燃料与氧化剂，或已燃气体与未燃气体的程由燃料与氧化剂，或已燃气体与未燃气体的混合过程控制。混合过程控制。fkgk4、 快速反应模型快速反应模型 （1）反应面模型）反应面模型 （2） 模型模型 （3） 模型模型 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型假设：假设：认为燃料与氧无论在同一时间还是同一空间内均不认为燃料与氧无论在同一时间还是同一空间内均不 共存，亦

22、即存在二者浓度均为零的反应面或火焰面共存，亦即存在二者浓度均为零的反应面或火焰面fkfk （1） 模型模型)()()(jejjjxffxfUxft混合物分数混合物分数f 的时均值方程的时均值方程 与与k， 方程联立，组成方程联立，组成 模型模型缺点：缺点：过于简化，假设成立得太勉强。过于简化，假设成立得太勉强。 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型物质物质m的质量分量的质量分量质量分量的瞬时的热力平衡状态质质量分量的瞬时的热力平衡状态质到达平衡度的特征时间到达平衡度的特征时间层流时间尺度层流时间尺度湍流时间尺度湍流时间尺度延迟系数延迟系数cmmmYYdtdY*tlcfmY*mY

23、cltf 5、特征时间模型、特征时间模型 由化学反应引起的某种质量分数的变化率：由化学反应引起的某种质量分数的变化率： 三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 （1）PDF模型模型6、 简化简化PDF模型模型jjjfufudTdYdYTPTYRR),(,),(基本思想：基本思想： 化学反应率是热力学状态量化学反应率是热力学状态量 ，T和各组分和各组分质量分数的非线性函数，而这些量的随机脉动对质量分数的非线性函数，而这些量的随机脉动对平均反应率有强烈的影响，因此考虑采用概率统平均反应率有强烈的影响，因此考虑采用概率统计的方法来描述。采用概率密度函数（计的方法来描述。采用概率密度函数

24、（PDF）可）可以得到平均反应率的表达式。以得到平均反应率的表达式。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型简化简化PDF（设定（设定PDF ） PDF输运方程输运方程（2）确定）确定PDF的方法的方法三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 分布分布 函数函数截尾截尾Gauss分布分布 即先假定输运变量脉动的概率密度函数的即先假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式，通过确定其中的一些待定参数获得具体形式，通过确定其中的一些待定参数获得概率分布。概率分布。 设定设定PDF常采用以下几种分布常采用以下几种分布（3）简化）简化PDF模型模型三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍

25、流燃烧模拟的主要模型 由于湍流脉动的存在，使瞬时值不共存，平均值共存。由于湍流脉动的存在，使瞬时值不共存，平均值共存。 在在 模型的基础上，进一步求解混合物脉模型的基础上，进一步求解混合物脉 动的均方值动的均方值 的方程。的方程。gk2fg a、 模型模型fk三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（4）几个典型的简化）几个典型的简化PDF模型模型对于任意瞬时标量是对于任意瞬时标量是f的函数的函数 的时均值即为的时均值即为 )(tdfPdP)()(10)()(dffPf三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型特征：特征：基于快速反应假设，突出了湍流混合过程在湍流基于快速

26、反应假设，突出了湍流混合过程在湍流 燃烧中的控制作用。燃烧中的控制作用。优点：优点：某些应用实例与实验结果符合较好，优于某些应用实例与实验结果符合较好，优于 模型。模型。缺点：缺点：完全忽略燃烧与氧化剂分子的相互扩散作用。完全忽略燃烧与氧化剂分子的相互扩散作用。 fk三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 基本原理：基本原理： 把湍流扩散火焰看成是由无数个层流扩散小火把湍流扩散火焰看成是由无数个层流扩散小火 焰组成的涡团。湍流与化学反应相互作用的问焰组成的涡团。湍流与化学反应相互作用的问 题分成两部分：题分成两部分：（1）按照守恒标量定义进行准稳定一维层流扩）按照守恒标量定义进行

27、准稳定一维层流扩 散小火焰结构的计算；散小火焰结构的计算；（2）湍流火焰中这种结构出现的概率分布。）湍流火焰中这种结构出现的概率分布。b、层流小火焰模型（、层流小火焰模型（Flamelet Model ）三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 基本思想：基本思想： 把整个燃烧场看成是随机分布的小火焰的集合，把整个燃烧场看成是随机分布的小火焰的集合，从组分和焓的守恒方程入手，引入非平衡参数从组分和焓的守恒方程入手，引入非平衡参数瞬时标量耗散率（考虑流动的影响），利用混合百瞬时标量耗散率（考虑流动的影响），利用混合百分数的守恒方程得出小火焰结构，再从整体上考虑，分数的守恒方程得出小火

28、焰结构，再从整体上考虑，综合概率密度函数，从而得到湍流燃烧过程中各瞬综合概率密度函数，从而得到湍流燃烧过程中各瞬时值在整个燃烧区域内的统计行为。时值在整个燃烧区域内的统计行为。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 模型实现：模型实现： Flamelet模型从组分和焓的守恒方程出发，模型从组分和焓的守恒方程出发，将焓的守恒方程转化为温度的偏微分方程。通过将焓的守恒方程转化为温度的偏微分方程。通过定义混合百分数，并将其作为独立变量，按照坐定义混合百分数，并将其作为独立变量，按照坐标转换的原则得到一维准稳定结构的组分和温度标转换的原则得到一维准稳定结构的组分和温度的偏微分方程，同时引

29、入非平衡参数的偏微分方程，同时引入非平衡参数瞬时标瞬时标量耗散率，利用混合百分数和耗散率的概率密度量耗散率，利用混合百分数和耗散率的概率密度函数，得到湍流燃烧过程中各瞬时值在整个燃烧函数，得到湍流燃烧过程中各瞬时值在整个燃烧区域内的统计行为。区域内的统计行为。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型基本思想：基本思想：直接求解关于概率密度函数直接求解关于概率密度函数PDF的输运的输运 方程，求出所有有关流动与燃烧的参量。方程，求出所有有关流动与燃烧的参量。7、 PDF 输运方程模型输运方程模型取消了其他模型的假设前提。对于守恒方程取消了其他模型的假设前提。对于守恒方程中的对流项、非

30、线形化学中的对流项、非线形化学 反应反应 项、平均压力项、平均压力项可以精确处理，不项可以精确处理，不 需模拟。需模拟。可以提供流场的完整信息。可以提供流场的完整信息。可以模拟着火、熄火、湍流燃烧和排放可以模拟着火、熄火、湍流燃烧和排放污染物生成过程。污染物生成过程。优点：优点：三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型PDF模型分类：模型分类：（1）速度）速度PDF方程方程（2）标量）标量PDF方程方程（3）速度标量联合）速度标量联合PDF方程方程（4）速度、耗散率和标量联合）速度、耗散率和标量联合PDF方程方程三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（1）速度）速度P

31、DF方程方程 对流项是封闭的。对流项是封闭的。 避免梯度扩散模型的模拟。避免梯度扩散模型的模拟。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（2）标量）标量PDF方程方程 对于任意复杂的化学反应机理都可以对于任意复杂的化学反应机理都可以 精确计算，无需模拟。精确计算，无需模拟。 无法计算湍流流场，仍需采用湍流模无法计算湍流流场，仍需采用湍流模 型计算流场。型计算流场。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型Micro-mixingReactionSource of a at boundary of composition spaceConservation of proba

32、bility aajjnJS mSm aaaaaa,UmUUjjUUfVSfVSfVxJfStf三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（3）速度标量联合）速度标量联合PDF方程方程 将速度将速度PDF模型与标量模型与标量PDF模型结合起模型结合起 来，具备两者的优势。来，具备两者的优势。v 对流项是封闭的对流项是封闭的v 化学反应项封闭化学反应项封闭v 无需湍流模型无需湍流模型三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（3）速度标量联合）速度标量联合PDF方程方程 缺点：缺点：没有包含有关湍流长度尺度和时间尺度的没有包含有关湍流长度尺度和时间尺度的信息，需要应用耗散率方

33、程，而耗散率方信息，需要应用耗散率方程，而耗散率方程的建立几乎没有任何客观依据。从而造程的建立几乎没有任何客观依据。从而造成在解决一些复杂的情况时，速度标量联成在解决一些复杂的情况时，速度标量联合合PDF方程效果不理想方程效果不理想三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型 aa,UmUUjjjUjUfVSfVDtDfVDtDUVxfVtfaa,UmUUfVSfVDtDtf三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型（4）速度、耗散率和标量联合）速度、耗散率和标量联合PDF方程方程 以提供湍流时间尺度和长度的信息。以提供湍流时间尺度和长度的信息。 适应于各向异性湍流。适应于各

34、向异性湍流。三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型1 单步化学反应模型单步化学反应模型2 简化多步化学反应模型简化多步化学反应模型3 详细化学反应模型详细化学反应模型（三）化学反应模型（三）化学反应模型三、湍流燃烧模拟的主要模型三、湍流燃烧模拟的主要模型非预混湍流火焰（非预混湍流火焰（Non-premixed Flame)Non-premixed Flame)： 燃料和氧化剂没有预先混合好，而燃料和氧化剂没有预先混合好，而是边混合边燃烧。是边混合边燃烧。四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟非预混非预混Bluff-body FlameTurbulent visc

35、osityFull second moment closure / Fast chemistryBluff-body stabilised flame CH4/H2kg/m.s四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟简介简介 1. Burner: bluff-body burner2. Fuel: CH4/H2( 1/1 by volume)3. Inlet: Vjet = 118 m/s, Vair = 40 m/s4. 湍流模型：微分雷诺应力模型（湍流模型：微分雷诺应力模型（DRSM)5. 湍流燃烧模型：简化湍流燃烧模型：简化PDF模型模型 PDF输运方程模型输运方程模型6

36、. 化学反应模型：简化化学反应模型化学反应模型：简化化学反应模型四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟 湍流模型湍流模型 （1） 微分雷诺应力模型（微分雷诺应力模型（DRSM)kikjkjkijixUuuxUuuuuDtD kkijijjixpuxpuxpu32ij puuuuxkijkjik32ijjixpuxpu kkijxup 32四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟（2）计算中所应用的雷诺应力模型）计算中所应用的雷诺应力模型1. LRR-IP 模型模型2. LRR-IP（ BM-M1) 模型模型3. JM 模型模型4. SSG 模型模型5. BM-

37、M2 模型模型四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟Bluff-body stabilised flame CH4/H2AirFuel96 cells72 cells0.1 m0.1 m0.2 mBluff-body stabilised flame CH4/H2Mean axial velocity:Full second moment closure / Fast chemistryUm/sStream functionFull second moment closure / Fast chemistryBluff-body stabilised flame CH4/H2

38、Turbulent kinetic energyFull second moment closure / Fast chemistryBluff-body stabilised flame CH4/H2m2/s2Turbulent dissipationFull second moment closure / Fast chemistryBluff-body stabilised flame CH4/H2m2/s3Mean mixture fraction:Full second moment closure / Fast chemistryfBluff-body stabilised fla

39、me CH4/H2Mixture fraction variance:Full second moment closure / Fast chemistry2fBluff-body stabilised flame CH4/H2Mean temperatureFull second moment closure / Fast chemistryBluff-body stabilised flame CH4/H2KReynolds stress:Full second moment closure / Fast chemistryuuBluff-body stabilised flame CH4

40、/H2m2/s2Reynolds stress:Full second moment closure / Fast chemistryvvBluff-body stabilised flame CH4/H2m2/s2Reynolds stress:Full second moment closure / Fast chemistrywwBluff-body stabilised flame CH4/H2m2/s2Reynolds stress:Full second moment closure / Fast chemistryvuBluff-body stabilised flame CH4

41、/H2m2/s2Reynolds flux:Full second moment closure / Fast chemistryfuBluff-body stabilised flame CH4/H2m/sReynolds flux:Full second moment closure / Fast chemistryfvBluff-body stabilised flame CH4/H2m/sReynolds flux:k- model / Fast chemistryfuBluff-body stabilised flame CH4/H2m/sk- model / Fast chemis

42、tryReynolds flux:fvBluff-body stabilised flame CH4/H2m/sTurbulent viscosityFull second moment closure / Fast chemistryBluff-body stabilised flame CH4/H2kg/m.sMean mass fraction of OHFull second moment closure / Fast chemistryBluff-body stabilised flame CH4/H2（2）计算结果）计算结果 轴向速度轴向速度U（x/D = 0.2）四、非预混湍流火

43、焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,2-20020406080100120140 x/Db = 0.2 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGU (m/s)r/Rb（2）计算结果）计算结果 轴向速度轴向速度U（x/D = 1.0）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,2-20020406080100120140 x/Db = 1.0 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGU (m/s)r/Rb（2）计算结果）计算结果 轴向速度轴向

44、速度U（x/D = 2.4）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,20204060 x/Db = 2.4 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGU (m/s)r/Rb（2）计算结果）计算结果 轴向雷诺应力轴向雷诺应力（x/D = 0.2）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,20510152025x/Db = 0.2 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGurms (m/s)r/Rb（2）计算结果）计算结果 轴向雷诺

45、应力轴向雷诺应力（x/D = 1.0）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,20510152025x/Db = 1.0 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGurms (m/s)r/Rb（2）计算结果）计算结果 轴向雷诺应力轴向雷诺应力（x/D = 2.4）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,20510152025x/Db = 2.4 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGurms (m/s)r/Rb（2）计算结果

46、）计算结果 平均温度平均温度T（x/D = 0.26）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,204008001200160020002400 x/Db = 0.26 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGT (K)r/Rb（2）计算结果）计算结果 平均温度平均温度T（x/D = 0.9）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,204008001200160020002400 x/Db = 0.9 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M

47、2 JM SSGT (K)r/Rb（2）计算结果）计算结果 平均温度平均温度T（x/D = 2.4）四、非预混湍流火焰的数值模拟四、非预混湍流火焰的数值模拟0,00,20,40,60,81,01,204008001200160020002400 x/Db = 2.4 EXP LRR - IP BM - M1 BM - M2 JM SSGT (K)r/Rb简介简介 1. Burner: swirl burner2. Fuel: CH43. Inlet: Vfuel = 4.144 m/s, Vair = 5.26 m/s4. Swirl number : 1.44. 湍流模型：湍流模型： 模型模型5. 湍流燃烧模型：湍流燃烧模型： 简化简