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浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9

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浙大高等燃烧学火焰传播与稳定_程乐鸣_2013_9

浙大高等燃烧学火焰传播与稳定_程乐鸣_2013_9


第三节 火焰正常传播
• 主要内容
–影响火焰正常传播速度的主要因素。 –火焰传播界限。 –火焰正常传播速度的测量。
影响火焰正常传播速度的主要因素
• • • • • • • • 过量空气系数 燃料化学结构 添加剂 混合可燃物初始温度T0 火焰温度 压力 惰性物质含量 热扩散系数和比热
基于理论公式分析，关注推导 过程中的假设等条件变化

Tr
T0
wdT
分区近似解是精确求解 法的一个一次逼近值
Tanford等的扩散理论
• 原理： 认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借 助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。 • 对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散 速度，能决定火焰速度的大小。 • 在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行 计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个 重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的 相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础 上提出了火焰速度方程。
化学反应速度与组分相关
结 果
2 T 2 sl wqdT 2 T 0 c p (Tb T0 ) 02 c 2 ( T T ) p b 0
r b

Tr
Tb
wqdT
uH
2 wqdT
T0 2 02 c 2 ( T T ) p r 0
Tr
uH
ws 0 q T0 n 2n! E 1 1 ( ) exp[ ( )] n 1 B 0 c p (Tr T0 ) Tr R Tr T0
• 捷尔道维奇分区近似解法 • 火焰传播精确解法
• Tanford等的扩散理论
• 层流火焰数值求解
湍流火焰

湍流火焰

x i = L = c5 D D / u ∞ = c6 (T∞ / Tm )a / S 定义 Ped = u ∞ D / a 得到Ped = c7 Pef2 Red = c8 Pef2 Pe = 1.05Pef2 u∞ ~ D Red = u ∞ D / ν∞ Red = 1.45Pef2 和实验结果对照给出 u ∞ ~ Sl2 / a → u ∞ ~ p n 1; u ∞ /(Dp) ≈ f ( α)∞ /( Dp ) = f ( α )
(4)火焰稳定( 1)Zukosky-Marble模 (4)火焰稳定(续1)Zukosky-Marble模 火焰稳定 型
热燃烧产物的回流点燃—xi>L 点燃失败, 即灭火
X = X i处 （ T ) 2 y = （ T )1 = T ) 2 （
火焰位置 火焰长度 L f / R = f (θ f ) 最简单的是线性关系 L f = R (a
Yox∞ + β + b) Yox∞
( x / R ) f = ( x / R ) f [θ f , ( r / R ) f ] ( x / R )f = Lf / R rf / R = 0
L f / R = aθf + b 实验给出 >> 4 L f = R (10 ∴ Lf ~ R
r = r1 r = r2
u = u 1 ; T = T1 ; Y ox = 0 ; Y F = 1 u = u 2 ; T = T 2 ; Y ox = Y ox ∞ ; Y F = 0
r = rf Y ox = Y F = 0 这一方程组只能用数值 法求解
湍流射流扩散火焰( 湍流射流扩散火焰(续1)
2 l
a = λ /(c pρ ) Pef = Sl D / a
湍流燃烧模型-PDF

湍流燃烧模型-PDF

PDF 模型概率密度函数PDF方法以随机的观点来对待湍流问题，对解决湍流化学反应流的问题具有很强的优势。

在湍流燃烧中存在一些非输运量( 如反应速率, 密度, 温度及气相体积分数等) 的湍流封闭问题。

尽管这些量没有输运方程, 但它们常常是输运变量的已知函数。

平均或者过滤高度非线性的化学反应源项会引起方程的封闭问题。

因此，用PDF的方法来解决这些非输运量的湍流封闭问题显然是一个既简单又直接的途径。

PDF方法是一种较为流行的湍流燃烧模型，能够较为精确的模拟任何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。

目前, 确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种, 分别称之为输运方程的PDF和简化的PDF。

前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程，通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。

后者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来获得输运变量脉动的概率分布。

湍流燃烧中, 后者应用最为普遍和广泛。

在简化的PDF 中, 输运变量脉动的概率密度函数常常采用双 D 分布、截尾高斯分布和B 函数分布等形式。

PDF在理论上可以精确考虑任意详细的化学反应机理，但是其具体求解时需借助其它的模型和算法，而且计算量相对较大。

PDF的方程是由N-S方程推导而来，其中的化学反应源项是封闭的，但压力脉动梯度项以及分子粘性和分子扩散引起的PDF的分子输运项是不封闭的，需要引入模型加以封闭。

例如，在速度- 标量-湍流频率PDF中，必须采用小尺度混合模型、随机速度模型和湍流频率模型加以封闭。

模化后的输运方程难以用有限容积、有限差分和有限元等方法来求解，比较可行的一种方法是蒙特卡洛(MonteCarlo)方法,在该方法中输运方程被转化为拉格朗日(Lagrangian)方程,流体由大量遵循Lagrang ian方程的随机粒子的系统来描述, 最后对粒子作统计平均得到流场物理量和各阶统计矩。

湍流的数学模型简介精心整理版共88页

湍流的数学模型简介精心整理版共88页

可用通用微分方程表示。
一般认为，无论湍流流动多么复杂，非稳态的连续性方 程和N-S方程(动量方程)仍然适用于湍流的瞬时流动。
第1章 湍流导论
1.3、湍流的基本方程（不可压） ❖ N-S方程
ui ui ui'
将非稳态N-S方程对时间作平均，即把湍流的运动看成是时间平均
流动与瞬间脉动流动的叠加：
'
及 t的概念，直接建立以雷诺应力为因变量的微分方程，然
后作适当假设使之封闭。这种模型也称为二阶封闭模型。
代数应力方程模型（Algebraic Stress Model，ASM）
主要思想是设法将应力的微分方程简化为代数表达式， 以减少RSM模型过分复杂的弱点，同时保留湍流各项异性 的基本特点。
3.2 湍流模型具体介绍
第2章 湍流的数值模拟方法简介
2.2 模型比较
湍流模型方法 (RANS方法)
大涡模拟方法 (LES方法)
给出了时间平均的流动信息，易于工程应用
抹去了流动的瞬态特性及细观结构，适合高雷 诺数，不具普适性
介于RANS与DNS之间，非常成功的应用于RANS
不能满足要求的高端应用，如燃烧、混合、外部空 气动力学。
、 k-g 模型等 。其中，应用最普遍的是 k-ε模型。
针对k-ε模型不足，许多学者对标准的模型进行了修正。
▪ 重整化群k-ε模型（renormalization group，RNG model） ▪ 可实现k-ε模型（realizable k-ε model） ▪ 多尺度k-ε模型（multiscale model of turbulence）
Contents
1
湍流导论
2
湍流的数学模型简介
3
湍流燃烧火焰面模式理论及应用读书记录

湍流燃烧火焰面模式理论及应用读书记录

《湍流燃烧火焰面模式理论及应用》读书记录目录一、内容简述 (2)1.1 书籍简介 (3)1.2 研究背景与意义 (4)二、湍流燃烧基本原理 (5)2.1 湍流的定义与特性 (6)2.2 燃烧的基本概念 (6)2.3 湍流燃烧过程中的能量转换与传递 (7)三、火焰面模型理论 (9)3.1 火焰面的概念与结构 (10)3.2 火焰面的动态特性 (11)3.3 火焰面模型的分类与比较 (13)四、湍流燃烧火焰面模式理论 (14)4.1 模式理论的基本框架 (16)4.2 模式理论的数学描述 (17)4.3 模式理论的验证与应用 (18)五、湍流燃烧火焰面模式理论的应用 (19)5.1 燃气轮机中的应用 (22)5.2 煤炭燃烧中的应用 (23)5.3 环境保护中的应用 (24)六、结论与展望 (25)6.1 主要研究成果总结 (27)6.2 研究展望与不足 (29)一、内容简述引言：简要介绍了湍流燃烧的背景、意义以及火焰面模式理论的发展历程，为读者提供一个清晰的背景和认知。

湍流燃烧基本理论：详细阐述了湍流燃烧的基本原理和概念，为后续章节打下了理论基础。

火焰面模式的基本理论：介绍了火焰面模式的定义、特点、形成机制以及分类等，对火焰面模式理论进行了全面的解析。

湍流燃烧火焰面模式的数值模拟：讲解了如何利用数值方法对湍流燃烧火焰面模式进行模拟和研究，包括模拟方法、模拟软件、模拟结果分析等。

湍流燃烧火焰面模式的应用：介绍了湍流燃烧火焰面模式在工业生产、能源利用、环境保护等领域的实际应用，展示了其重要性和实用性。

最新研究进展与未来展望：总结了湍流燃烧火焰面模式的最新研究进展，并对其未来的发展方向进行了展望，为读者提供了一个前瞻性的视角。

通过阅读本书，读者可以全面了解湍流燃烧火焰面模式的基本理论、数值模拟方法以及实际应用情况，对于从事相关领域研究或工作的读者具有很高的参考价值。

1.1 书籍简介《湍流燃烧火焰面模式理论及应用》是一本深入探讨燃烧科学中湍流燃烧现象及其应用的学术著作。

第三讲--湍流燃烧模拟

第三讲--湍流燃烧模拟

Rj Rjk k
Rjk (rate of production/consumption of species j in reaction k) is computed to be the smaller of the Arrhenius rate and the mixing
or “eddy breakup” rate.
C，coherence：粘附，描述流体层不愿分离的一种趋势，认为两层流 体一旦由于卷吞碰到一起，那么在传输、拉伸和化学反应的过程中都 不会分开，它们互相粘附在一起。
I，interdiffusion和化学上的interaction：相互扩散和化学反应，描 述在流体层受拉伸的过程中，发生在流体层内部及其交界面上的扩散 和化学反应。
These equations predict local time-averaged mass fraction, mj ,
of each species.
Source term (production or consumption) for species j is net reaction rate over all k reactions in mechanism:
Mixing rate related to eddy lifetime, k /.
Physical meaning is that reaction is limited by the rate at which turbulence can mix species (nonpremixed) and heat (premixed).
有限速率模型
求解反应物和生成物输运组分方程，并由用户来定义化 学反应机理。
反应率作为源项在组分输运方程中通过阿累尼乌斯方程 或涡耗散模型。
湍流燃烧模型

湍流燃烧模型

l d（管径）及 u u（主流速度）
而分子导温
系数与分子
运动粘性成
正比，所以
ut / ul ( at / a )1/ 2
(lu / )1/ 2
( du / )1/ 2
Re1/ 2
小尺度强湍流：
ut ul Re
1/ 2
小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅
与可燃混气的物理化学性质有关（即与ul成正比），
而取样分析得到的却是它们的平均值。
• 瞬时值不共存，而平均值共存。
• 因为可能在空间的同一个点，燃料和氧化剂出现
在不同的瞬间，这里起关键作用的是湍流脉动。
• 因此，不可能在不考虑脉动的情况下去分析湍流
扩散火焰。
• 基于这种思想，斯波尔丁在1971年提出了计算
湍流扩散火焰的k-ω-g模型，后来演变成k-ε-g模
− ,
=
. − ,
5-1-3守恒量之间的线性关系
• 通常把满足于无源守恒方程的量称为守恒量，显
然f是一个守恒量。
• 化学元素的质量分数ma、不参与化学反应的物
质(例如不考虑氮的氧化反应体系中的氮气)的质
෨
量分数是守恒量，在一定条件下滞止焓ℎ也是个
守恒量。
• 在一定的条件下，守恒量之间存在着特别简单的
一、湍流火焰的特点
湍流特性参数：
湍流尺度 l ：
在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，
或湍流微团在消失前所经过的平均距离
若 l < （层流焰面厚度）为小
尺度湍流，反之为大尺度湍流
湍流强度 ：
流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。
u u
若 u’ > ul （层流火焰传播速度）
湍流燃烧数值模拟PDF方法的简介

湍流燃烧数值模拟PDF方法的简介

引言近年来，湍流燃烧模型和计算方法的研究进展很快，其中概率密度函数（PDF）方法就是其中的一种比较新的方法。

PDF方法主要是通过求解速度和化学热力学参数的联合概率密度函数的输运方程来求解湍流燃烧问题的。

在这个方程中，与湍流输运和化学方应速率的有关的项都是以封闭的形式出现，避免了建立模型模拟，因此得到的结果更加精确，但是与分子黏性和压力梯度有关的项还需要模拟。

同时，知道了速度和化学热力学参数的联合密度函数之后，可以求出它们任意阶的统计矩，因此PDF可以提供比统计矩模型更多的信息。

1 PDF方法简介湍流燃烧中的控制方程中共涉及到速度、化学组分和生成焓等参数，我们可以定义一组（σ个）标量 αΦ：假定湍流满足统计规律。

在时刻t，空间坐标为的点上，3个速度分量和σ个标量 αΦ可以用δ函数的乘积来表示：其中iv和αψ是相空间的坐标。

所有实现的平均就是湍流在这点上的概率密度函数：其中概率密度函数满足下面的方程：其中概率密度函数方程中右边的第一项表示平均压力梯度和体积力引起的概率密度函数在速度空间里的位移，第二项表示化学反应引起的概率密度函数在标量空间里的位移，这两项所涉及的都是单点相关的概率密度函数，因此可以精确计算，不需要模型模拟。

而第三项和第四项为分子黏性扩散和脉动压力梯度的条件平均值，这些项涉及到了两点相关，是不封闭项，因此需要模拟。

关于PDF方程的数值解法，由于方程涉及到的自变量有σ+6个，因此很难用通常的有限差分法和有限元法求解，需要采用Monte Carlo方法。

在该方法中，动量和标量的输运方程被转化为Lagrange方程。

概率密度函数并不是被直接求解出来，而是由大量的具有速度和标量值以及满足上述Lagrange方程的计算颗粒统计来获得。

对于复杂机理的有限反应速率的化学反应流来说，这种数值方法会引致巨大甚至无法实现的计算量。

2 PDF方法的特点PDF方法主要是通过求解速度和化学热力学参数的联合概率密度函数的输运方程来求解湍流燃烧问题的。

燃烧学—第四章3

燃烧学—第四章3


安全工程学院：齐黎明
21
《燃烧学》--第四章
表4-10
混合物 2H2＋O2
化学计量比的氢-氧混合物的爆轰波速表
安全工程学院：齐黎明
8
《燃烧学》--第四章
4.5.2激波的性质
激波运动的速度与激波强度
设某时刻t，激波前进到2截面处， 波前参数为p1，ρ1，T1， 波后参数为p2，ρ2，T2。 激波前进的速度为V激，波后气体运动的速度为ΔV。 设dt时间后，激波由2截面前进到1截面，于是1-2截面间的距离为
安全工程学院：齐黎明
7
《燃烧学》--第四章
微弱压缩波可以叠加在一起，成为一道强的压缩波—激波 但是，膨胀波则不再叠加在一起，变成一道“强的”膨胀波。 越靠后的膨胀波运动速度越小，后面的膨胀波永远也赶不上 前面的膨胀波。各膨胀波之间的距离将越来越大，故膨胀波 不能像压缩波那样集中或叠加在一起，形成一道强的膨胀波。
安全工程学院：齐黎明
16
《燃烧学》--第四章
当管子足够长时，后面的压缩波就有可能一 个赶上一个，最后重叠在一起，形成激波。激波 一定在开始形成的正常火焰前面产生。 一旦激波形成，由于激波后面压力非常高， 使未燃混气着火。经过一段时间以后，正常火焰 传播与激波引起的燃烧合二为一。于是激波传播 到哪里，哪里的混气就着火，火焰传播速度与激 波速度相同。 激波后的已燃气体又连续向前传递一系列的 压缩波，并不断提供能量以阻止激波强度的衰减， 从而得到一稳定的爆轰波。
安全工程学院：齐黎明
3
《燃烧学》--第四章
在AA与BB之间，是从时刻0起到时刻t1这段时间内
活塞连续做加速运动, 形成的无穷多道微弱压缩波 每一道压缩波经过气体，气体的压强、密度和温度就有一 个微小的提高，并获得一个微小的向前运动的速度增量
第四讲 湍流燃烧模型(a)

第四讲 湍流燃烧模型(a)


是空间位置的函数，也随变量f的种类而变化．f可以是某个变量
的值，也可以是它的梯度等等．这里，f表示归一化的混合分 数．
目前求 p f 方法有三种: 1.从对湍流脉动的认识出发人为地指定一种 p f
函数p(f)的分布依赖于f中湍流脉动的本质。实际上，p(f)被 表示为一个数学函数，近似为试验中观察到的PDF形状。
m pr 1 fS
m pr 1 f m pr 1
如果 f 0 则
m fu mox 0
因此，各组分浓度的瞬时值可用一个守恒标量f来表示
(f) 不一定成立，即
实际上，上述过程之所以能消除化学反应源项，是因为快速化学反应 假设要求正、逆化学反应的速率都比湍流混合过程快，也就是说，空间 任一点上瞬时的化学组分处于化学平衡，而平衡化学反应系统的组分质 量分数是不难确定的。为了求得组分浓度及温度的时均值，还必须用到 更多的模型.
2.建立、模化并求解，以 p f 为因变量的微分方程； 3.根据ESCIMO理论计算出 p f
城墙式P(f)分布
Spalding在1970年首先提出，假定f只可能取两个值f+和f-，而不会取 其它值；若设f等于f-的时间分数是a，那么取f+的时间分数必然是(1a)．所以为确定P(f)，就必需设法求出f+，f-和a．已知条件是通过解 方程或其它途径得到了的 f 和 f 2 ,以及f+和f-都必须在合理的范围 内取值的规定．
概率密度函数
概率密度函数的概念在这里用于描述流场中的量．它认为，由于 强烈的脉动作用，湍流场中的量可看成是随机量，对这种量的描 述不是要寻找它在空间任一点的瞬时值随时间变化的严格规律， 而是给出它取某个值的可能性．概率密度函数P(f)的概念正是这 样引入的．我们定义，p(f)df表示变量f的值处于f和(f十df)之 间的概率，也可以理解为它表示f的值处于f和(f十df)之间的时 间分数．p(f)称为变量f的概率密度函数(PDF)，一般情况下P(f)
湍流燃烧模型

湍流燃烧模型


Contents
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 2. Balance equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
194
D. Veynante, L. Vervisch / Progress in Energy and Combustion Science 28 (2002) 193±266
6. Tools for turbulent combustion modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 6.2. Scalar dissipation rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 6.3. Geometrical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 6.3.1. G-®eld equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 6.3.2. Flame surface density description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 6.3.3. Flame wrinkling description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 6.4. Statistical approaches: probability density function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 6.4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 6.4.2. Presumed probability density functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 6.4.3. Pdf balance equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 6.4.4. Joint velocity/concentrations pdf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 6.4.5. Conditional moment closure (CMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 6.5. Similarities and links between the tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

雷鸣《燃烧理论与技术》

8
/1
课程复习、答疑
2
说明：1．任课教师应根据教学大纲和课程表来编写教学日历，并送有关系和教务处各一份；
2．教学日历如有变动，须经有关系批准，并报教务处备查。
2．教学日历如有变动，须经有关系批准，并报教务处备查。
共2页第2页
课
教学时间教材ຫໍສະໝຸດ 学时分配号周
次
日
／
月
课程内容提要
章节
讲
课
习题课
实
验
上
机
讨
论
11
15
2
/12
混煤燃烧特性研究、煤粉燃烧过程数值模拟
9-3、9-4
2
12
15
4
/12
钝体回流区稳燃及强化技术
10-1
2
13
16
9
/12
高煤粉浓度稳燃技术、安全节能燃烧技术
2014至2015学年第1学期
教学日历
课程名称：燃烧理论与技术
学时：40
系(部)
：
动力系
主任签字
：
年月日
教研室
：
热能
主任签字
：
年月日
教师姓名
：
雷鸣
任课班级
：
动力1101-1103班
华北电力大学
共2页第1页
课
教学
时间
教材
学时分配
号
周
次
日
／
月
课程内容提要
章节
讲
课
习题课
实
验
上
机
讨
论
1
9
21
/10
绪论
第一章
10-2、10-3

《湍流燃烧模拟》课件

《湍流燃烧模拟》PPT课 件
本课件将介绍湍流燃烧模拟的基本概念、研究背景以及应用领域。我们将探 讨燃烧模型、数值模拟方法和计算流程，并通过应用实例加深理解。最后总 结湍流燃烧模拟的优缺点及未来展望。
什么是湍流燃烧模拟
湍流燃烧模拟是一种利用数值方法模拟燃烧过程的技术。它可以模拟燃烧传 递、燃烧反应和湍流扩散等关键过程，为工程和学术领域带来了重要的应用 价值。
求解湍流方程
4
的消耗和产物的生成。
通过湍流模型求解湍流的统计特性，如
湍流能量和湍流扩散。
5
结果后处理
分析和可视化计算结果，如温度分布图 和燃烧效率曲线。
应用实例
工程应用
湍流燃烧模拟在航空、汽车和能源等领域中的应用， 如优化燃烧室设计和提高燃料利用率。
学术研究
湍流燃烧模拟在燃烧理论和湍流动力学等学术领域 中的应用，如燃烧反应机计性质，如 湍流能量传递和涡旋结构。
数值计算方法
采用离散化方法对方程进行数 值求解，如有限体积法和有限 元法。
计算流程
1
数据预处理
收集和处理输入数据，如几何模型和初
求解流场和温度场方程
2
始条件。
通过数值方法求解流体和温度的传输方
程，得到流场和温度场分布。
3
求解反应方程
根据燃烧模型求解反应方程，计算燃料
燃烧模型
传统燃烧模型
基于化学平衡假设，适用于简单的燃烧场景，但无法考虑湍流效应。
湍流燃烧模型
考虑了湍流效应对燃烧传递和反应的影响，适用于湍流流场和复杂燃烧场景。
湍流模型的特点和局限性
湍流模型可以有效地描述湍流的统计特性，但对于瞬态湍流现象和湍流的局部结构存在一定 限制。
数值模拟方法

第五章 湍流燃烧模型


grad mox
gradvj mfu mox
K
f
(mox
Sm fu
)mfu mox
Smox mf2u
m fu
mo2x
(mo x
Smfu
)mfu
mo x
式中D1表层流交换系数；S表示化学当量比；
（131）
K f B exp(E / RT )
方程（131）中第三、五、六项需进行模化，才能使其封闭。 其方法如下：
与能量的湍流扩散和颗粒的经历效应 Euler坐标系中处理气相；Lagrange坐标系中描述颗粒相 有反应颗粒相的连续介质 -- 轨道模型和考虑颗粒经历效应的多
流体模型
连续介质―轨道模型的基本方法
用多流体模型求解Euler坐标系中颗粒相的连续与动量方程， 求出颗粒速度与浓度分布，同时沿着Euler坐标系中计算得到的 轨道或流线追踪因反应和传热引起的颗粒质量和温度的变化， 使用常微分方程和代数式
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 f 简化
f m fu mox / S
（107）
式中（m fu 及 mox 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
如果 f 0 ，则 m fu mox 0 。
时均值 f 及其脉动均方值 g f 2 的输送方程形式分别为
(f )
t
xj
(
vj
f
)
xj
( f
f )
xj
（109）
t
(g)
xj
( vjg)

第五章1,燃烧模型


预热区 O(1) CH4
氧化层 O(ε)
T
T0
103
sL
内层 O(δ ) O2 CO
涡旋尺度小于火焰内层尺度
破碎反应区
Ka 1
H2
x / lF
10 2
l
/ sL
10
Re 1
涡旋尺度小于火焰尺度
薄反应区
F 涡旋尺度大小于火焰尺度
l
Ka 1
1
波纹板式火焰
涡旋速度与火焰传播速度比较
皱褶层流火焰面燃烧机制
AT
m
A
sL
sT
m
在横截面积为A的湍流火焰中，瞬时层流火焰面的形状 是不断变化的。根据质量守衡，通过该湍流火焰面AL 的流量和某一时刻通过瞬时皱褶层流面面积的流量是 相等的 m u SL AL u ST A
湍流火焰传播速度（皱褶）
• 湍流火焰传播速度ST和层流火焰传播速度SL之 ST AL 比为
L
湍流火焰传播速度（皱褶）
在薄反应区燃烧机制中，湍流涡旋深入 预混区内部，使扩散速度增加。我们用 湍流扩散系数 t u0l 代替层流扩散系 数 D ，即得湍流预混火焰的传播速度
( D W )1 2
SL (DW )1 2
u0 l 1 2 ST ( ) SL S L
0
尺度涡旋不能进 入火焰的内层。
10 4
层流火焰
0.1
皱褶层流火焰
10 10 2 103
0.1
1
l / lF
波纹板式火焰面燃烧机制和薄 反应区机制之间的关系
在大Re数条件下，小尺度湍流是间歇性的，耗 散率满足一定的统计分布。 在对湍流的Kolmogorov理论进行修正时，提出 了间歇性或流场中湍流的作用是不规则的这样 一些概念。反映到燃烧问题中，大Re数条件下， 湍流火焰可以有被小尺度涡旋产生的很强的局 部混合区（如在薄反应区机制中），也可以有 光滑的火焰面区。这时就产生了波纹板式的火 焰面燃烧机制。 上述讨论的两种机制可以在一个湍流火焰中同 时存在。

浙大高等燃烧学燃料的着火理论_程乐鸣_2013_9



燃烧过程第一阶段：着火阶段 可燃混合物着火方式
※ 自燃着火（热力着火）
依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐积累热 量和活化分子， 自行加速反应，最后导致燃烧 [化学自燃：不需外界给入热量，在常温下依靠 自身的化学反应发生的着火]
※ 点燃（强迫着火）
用电火花、电弧、热板等高温源使混合气局部地 区受到强烈地加热而首先着火、燃烧，随后这部分 已燃的火焰传播到整个反应体系的空间
符号问题：查阅原文，推进条件，符号意义

第3节自主作业：
1. 查阅文献资料，讨论目前燃烧理论研究主要方向，各方向 的热点及其研究原因，目前世界上主要研究小组情况； 2. 查阅文献资料，讨论目前在着火理论方面的①研究热点， 讨论其作为研究热点的原因，目前世界上主要研究小组情 况、实验方法、实验装置、测试手段，实验主要结果、存 在问题分析和你们的想法；②主要模型其发展，目前世界 上主要研究小组情况，计算方法，采用软件，主要结果， 你们的想法 3. 火焰传播方面 4. 湍流燃烧理论方面 提交报告，我部分第3节课ppt讲述、讨论（分成4大组，每 大组分成2小组，初定**人/组） 参考文献：作者，题目，刊物/论文集，卷号，期号，页码
2 cPVRTC
注意推导过程中 的一些考虑实际 情况的假设应用
i
qk 0 C n E
e E / RTC
与谢苗诺夫所得结果也是一致的
T
n i k n 2 E / RTB B
p
e
常数
热自燃理论的最新发展
谢苗诺夫及费朗克--卡门涅茨基的分析方法都 是基于在无反应物浓度变化，放热条件恒定及 常物性等条件而进行的。 这些假定条件与实际过程有较大距离。 后续的研究者针对这些假定作出了许多更符合 实际的分析和研究。2级及以上阶数反应。

湍流燃烧火焰面模式理论及应用


精彩摘录
精彩摘录
在燃烧科学领域，一本引人注目的著作是《湍流燃烧火焰面模式理论及应 用》。这本书以其独特的视角和深入的研究，为读者揭示了湍流燃烧的奥秘，展 示了这一复杂现象背后的科学原理和应用前景。以下是一些精彩摘录，展示了这 本书的核心内容和观点。
精彩摘录
“湍流燃烧是燃烧科学中最具挑战性的问题之一。”这句话开宗明义，点明 了湍流燃烧在燃烧科学中的地位。作者指出，湍流燃烧的复杂性和难以捉摸的特 性使得其成为研究的热点和难点。然而，通过科学的方法和深入的研究，我们可 以逐步揭开这个神秘面纱，将其转化为实际应用中的优势。
目录分析
本章主要介绍了部分预混湍流火焰面模型。首先对部分预混燃烧的基本概念 和特性进行了阐述，然后详细介绍了该模型的建立和应用。通过与前两章的模型 进行对比，突出了部分预混湍流火焰面模型的特点和优势。
目录分析
本章作为全书的结尾，对超声速燃烧的火焰面模式进行了深入的探讨。首先 介绍了超声速燃烧的基本概念和特性，然后详细介绍了超声速燃烧火焰面模式的 建模和应用。这一章将全书的内容提升到了一个新的高度，为读者提供了更加全 面的视角。
阅读感受
在介绍这些理论或模型时，作者不仅提供了详细的数学和物理推导，还附带 了大量的图表和验证算例。这些内容不仅使读者更好地理解这些理论或模型，而 且还能帮助读者学会如何将这些理论或模型应用到实际问题中。
阅读感受
在阅读这本书的过程中，我深深被作者的专业知识和深入研究所折服。他们 不仅对湍流燃烧的物理机制有深入的理解，而且还能从应用的角度出发，将这些 理论或模型与实际问题起来。这使我更加深入地理解了湍流燃烧的复杂性，以及 如何通过科学的方法来解决这一领域的难题。
阅读感受
书中首先回顾了湍流燃烧及其数值模拟的概述，这为读者提供了一个很好的 背景知识。随后，作者详细地介绍了湍流预混火焰面模型、湍流扩散火焰面模型、 部分预混湍流火焰面模型以及超声速湍流燃烧火焰面模型等核心理论或模型。这 些理论或模型不仅反映了当前的最新研究成果，而且为解决实际问题提供了有效 的工具。
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率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速
率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比。
R fu ~ / k
湍流燃烧速率
对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度的公式
t C k 1/ 2 C C D k 2 /
假定 k 1/ 2 正比于混合长度与均流速度梯度绝对值的乘
对于层流火焰，在一定条件下，火焰传播速度与试验装 置无关。
在研究湍流燃烧时，针对湍流火焰，同样期望确定其传 播速度时，不要与装置本身有关，以带有共性，仅与料量比： λ、μ、D等量数有关。 事实证明这是不可能的。
在某些化学当量比下，湍流中有效热扩散系数要比层流 中分子的热扩散系数大 100倍，因此，湍流火焰的理论概念 不象层流火焰那样容易定义。
分析湍流火焰时，不仅要考虑湍流的 输运特性，还必须考虑湍流的脉动特性。 建立湍流燃烧模型中，要把混合过程 的控制作用和湍流脉动的影响有机地统一 起来。 基于此，Spalding提出了k-ε-g模型
几率分布函数
几率分布函数，即：一个用于描述湍流燃烧系 统中的因变量。 对于某个量我们关心的是它取某个值的几率。 无量纲混合分数的几率分布函数定义如下： P(f)df=f(t)处于(f,f+df)范围内的那段时间间隔t的 时间分数，即几率。 式中，P(f)称为瞬态混合分数f的几率分布密度 PDF。
F Sl w0 FL
F ST w0 FT
湍流火焰锥外 表面面积
研究湍流火焰过程中发展起来的方法
一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的 表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。 另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为 目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率 分布函数输运方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。
• 火焰锋面面积增加
§4.4 湍流燃烧时的时均反应速度和混合百分数
求解湍流现象，重要的是求解反应平均量的分布和平 均热效应（热流）
时均反应速度（Arrhenius equation）瞬时 – 平均
w k 0 C1 C2 exp ( E / RT ) X X 1 C C /( C1 C2 ) P 1
只考虑脉动使反应表面增大，微观上看仍然是层流火焰 结构，没有考虑脉动引起的可燃物与燃烧产物的强烈混合 作用
表面扩展到哪里，燃烧就立即在表面发生，即不考虑化 学反应动力学因素
试验观察到的火焰特点
在强湍流条件下，试验发现实际燃烧火焰特点：
燃烧不是集中在薄的燃烧区，而是进入到了较
深区域
火焰厚度约为层流火焰的几十倍
§4.5
湍流扩散火焰的k-ε-g模型
湍流的脉动
实验现象：燃料 与氧化剂在局部 可以共存。这一 点与快速反应模 型相矛盾。
湍流的脉动解释了以上实验现象： 快速反应假设是对燃料和氧化物的瞬时值而 言，实验测量则是一定时间内的平均值，即： 瞬时值不共存而平均值共存。 这是由湍流脉动导致某一局部上燃料和氧化 剂出现在不同瞬间。
§4.2 表面燃烧理论
应用火焰前沿概念因：湍流，火焰表面弯曲， 燃烧表面增加。 每个燃烧微团外表面燃烧速度和层流火焰法线传 播速度u 相同。
H
uT FT uH FL
FT的求取
（a）气流脉动速度不大： 湍流标尺lT比层流火焰前沿厚度小,考虑到lT是表征微团的 大小，气流脉动对火焰前沿的歪曲不会很大，只能把光滑 的层流火焰前沿变成波纹状(图a) （b）气流脉动速度不很大： 湍流标尺大于层流火焰前沿厚度的情况。此时火焰前沿弯 曲得很厉害，但火焰前沿还未被撕裂(图b)。假设火焰前沿 近似弯曲成圆锥形，湍流脉动使火焰前沿由 l 2H l F 增加至圆锥表面积 F 1 4 4 l （c）气流脉动速度和湍流标尺均很大 火焰前沿被撕裂得四分五裂，而不再以连续状态出现(图c)。 湍流火焰传播速度直接与脉动速度成正比，而与燃料种类 及其物理化学特性关系不大。
燃烧在湍流物中进行，即为湍流燃烧。
湍流燃烧形式：1）预混气（燃料气及空气预混） 2）扩散（燃料气及空气扩散）
以本生灯火焰为例: 当Re<2300时，本生灯喷嘴火焰为 层流火焰，它的火焰十分薄，一般 只有0.01~1.0毫米。在层流火焰中 火焰前沿是很光滑的，并且基本上 成正圆锥形。
在湍流工况时，火焰根部前沿厚 度增加不多，但在火焰锥顶部，火 焰明显地变得很厚。在湍流工况下， 火焰前沿很明显出现了脉动和弯曲， 试验发现由于湍流脉动的结果，使 得湍流火炬的高度比层流短得多。
3.强湍流条件下两种模型的对比
表面燃烧模型 容积燃烧模型
微团产 生方式
燃烧发 生条件
火焰前沿破裂 火焰前沿破裂、 微团破裂和微团 重新组合
表面一旦形成 考虑反应动力学 就立即发生燃 因素，达到反应 烧 条件的微团才会 燃烧 仅在表面进行 燃烧不仅限于表 层流式燃烧 面，而在整个微 团内部
微团燃 烧方式
C15=C04b+C05a+C06b
C16 c ba b c
同理计算温度
数值计算
评价：计算的到的结 果与试验测得的较为 接近
两种模型的区别及其适用范围
火焰皱折模型
(1) 燃烧区域 表面燃烧 （内无燃烧产物） 湍流脉动
ST u ' 2
容积燃烧模型
反应区 （混合气） 与脉动反应动力 学等因素均有关 较宽ε范围内 特别是强湍流时

典型的P(f)，f随时间变化的关系。
几率分布函数
k-ε-g模型的要点

模型的关键-----P(F)的求解

ε
对湍流扩散燃烧射流的计算
丙烷-空气湍流扩散 燃烧自由射流某截面上 的速度,温度以及燃料和 氧气浓度的时均值分布 结果。
火焰形状
§4.6 湍流预混火焰模型
在以前的研究中，已经对湍流的时均反应速度进行了 简单的分析，可以通过对二阶，三阶的关联项进行模拟， 从而使问题封闭可以进行求解。 当涉及到湍流和化学反应的相互作用时，需同时考虑 湍流混合、分子运输以及化学动力学三个因素。因此， 寻找一个通用的，把这些局部参数联系起来的公式比较 困难。
4.容积燃烧模型的数值计算方法
等分湍流扩散模型
评价：这种最简化的模型 与实际情况有较大的出入
燃烧产物
火焰
• 可燃气
多分湍流扩散模型
1 C01
2 C02
3 C03
4 C04
5 C05
6 C06
7 C07
8 C08
9 C09
c ba b c c ba b c c ba b c c ba b c c ba b c c ba b c c ba b c c ba b c c ba b c C14 c ba b c C15 C25 a
速度快，反应快，高度低
层流火焰与湍流火焰的特点比较 当Re < 2300 层燃火焰 a) 前沿厚度0.01~0.1mm高度； b)火焰前沿光滑基本成正圆锥形； c) 20~200cm/s 当Re>2300时，湍流火焰（渐变过程） a) 火焰高度很小。说明 ST>>Sl b) 火焰前沿出现脉动和弯曲 c) 收光区模糊 d) 有明显的噪音 e) 有较宽的反应区域
积，则ε/k正比于均流速度梯度的绝对值。 燃烧速率一定与燃料浓度有关。
湍流燃烧火焰传播速度
湍流燃烧火焰传播速度: 湍流火焰前沿法向相对于新解可燃气运动的速度 ST=u COSθ
测定ST的常用方法有二种。 (1) 定常开口火焰，本生灯法 (2) 定常封闭火焰 对于定常开口火焰，ST的大小测定 (1) 测得U及θ V (2) 流入可燃预混气流量除以湍流火焰表面积 F 如何确定F是很困难的。 对于定常封闭火焰，困难如何确定火焰面积。
, C2 C2 C2 T T T , C1 C1 C1
反应时间尺度<<湍流时间尺度
此时，化学反应速度由微观混合过程所控制，而不是化学反 应动力过程起控制作用。 从总体来说，化学反应是快的，是可以认为处于局部瞬态平 衡。在这类火焰中，湍流混合过程是控制反应速度的过程。 反应在反应物作混合的瞬间即达到平衡。 对于这些情况，可以用守恒量或叫混合百分数来判别某处的 “混合程度”。统计，采用混合分数的概率密度函数(PDF)加 以关联。
为了求解湍流燃烧问题，Spalding等人提出了新的湍 流燃烧思路，通过分析影响 的主要因素，提出了 的 简化公式，再通过分析结果和实验的对比，提出了新的 模型。其中，漩涡破碎模型是最简单的湍流反应模型。
旋涡破碎模型(EBU)基本思想
在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学反
应在这两种气团的交界面上发生，认为平均化学反应
几率分布密度函数PDF
反应时间尺度≈湍流时间尺度
对于此种情形，被称为有限速率反应。化学动力学与 湍流脉动两者必须被结合起来考虑。应该说这是在化 学反应中常见的情形。 至今为止，这类化学反应是最复杂且是研究最缺乏的， 对于这种类型的燃烧情况是最需要我们进一步研究的。
简单化学反应系统：复杂燃烧系统，基 于关心其平均反应速率，最终产生的热 效应，相关温度、成分、流场分布于变 化。提出简化系统，假设 守恒量（燃料、氧化剂、产物质量分数 不守恒） 混合分数（守恒量）
微团结 构
一层很薄的层 流燃烧表面和 包在内部的大 部分未燃气或 燃烧产物
微团内部温度、 浓度局部平衡， 不同微团浓度、 温度、反应完全 度各不相同
表面燃烧模型 （强湍流）
容积燃烧 模型
容积燃烧模型认为ut不仅与湍流的脉动有关，也与可燃物 物理化学性质、着火条件有关，这使得问题复杂化，目 前只能通过简单的模型进行数值计算。
2 T L
2 T
2
T
T
§4.3 湍流气流中火焰传播的容积燃烧模型
1.表面燃烧模型缺陷 2.容积燃烧模型的特点 3.强湍流下容积燃烧模型与表面模型对比 4.容积燃烧模型的数值计算方法 5.容积燃烧模型与表面模型的比较