湍流火焰面模型的发展与测试开题报告

全文总字数：6487字

1. 研究目的与意义（文献综述）

化石燃料燃烧在当今社会的能源结构中有着至关重要的地位，深刻影响着社会发展及人类生产生活。在实际燃烧设备中，如燃气轮机、航空发动机等，其中的燃烧形式在大部分情况下均为湍流燃烧。湍流燃烧是一个极其复杂的化学物理过程，将湍流与化学反应这两种复杂问题耦合在一起。湍流问题被誉为经典物理学里最难的问题之一^[1]。根据燃料与氧化剂是否提前混合，可以将燃料分为预混燃烧和非预混燃烧，非预混燃烧是指燃料与氧化剂不提前混合，而是采用边混合边燃烧的燃烧方式，由于其稳定燃烧范围宽，且不易发生回火现象，被大多数燃烧设备所采用，广泛地存在于能源动力、交通运输、航空航天等工程领域。

目前而言，研究湍流燃烧常用的数值模拟方法主要有三种^[2]，分别是直接数值模拟方法、大涡模拟方法和雷诺平均方法。直接数值模拟方法从精确的n-s方程出发，对所有尺度的湍流运动进行模拟，理论上可以得到湍流场的全部信息且精度较高，但其对网格密度及步长要求极高，就目前计算机性能而言，只能解决某些雷诺数较小的问题，在工程上应用较少^[3]。雷诺平均方法牺牲燃烧模拟精度，将瞬时的n-s方程转换为时均性雷诺平均方程，只能求解流场的平均参数，但可以用较小的资源解决较大雷诺数燃烧的问题。大涡模拟方法借助滤波函数对湍流燃烧控制方程进行处理，将湍流小尺度涡过滤掉，对大尺度涡进行直接数值模拟，对小尺度涡通过建立模型进行封闭处理，减小计算量的同时，保留了物理量的时间演化信息，因此可用于瞬态物理过程的模拟^[4]。在近期的研究中，大涡模拟方法逐渐成为模拟湍流燃烧问题的主流手段^[5][6]。大涡模拟需要建立湍流流动的亚格子尺度模型，以刻画小尺度涡对大尺度涡运动的影响关系，将小尺度涡封闭。其中，smagorinsky(1963)提出的亚格子模型形式简单，应用最为广泛^[7][8]，但该模型也存在模型系数固定等缺陷。为克服smagorinsky模型的缺陷，germamo（1991）提出了动态亚格子尺度模型^[9]，在模型中模型参数不预先设定，而是通过解析湍流尺度包含的信息自动计算，模型系数随不同的流动状态而改变，在湍流中更为合理。

在研究湍流燃烧时，不但要处理湍流流场，还要考虑燃烧过程中的化学反应。在利用数值模拟方法处理湍流燃烧问题时，为封闭控制方程的化学反应源项，需要建立燃烧亚格子模型。概率密度函数方法由pope等（1976）提出，该方法以完全随机的观点看待湍流流场^[10]，求解有限反应速率和熄火过程精度较高。条件矩封闭模型由bilger（1998）提出，其对湍流随机量条件平均，削弱湍流脉动，实现湍流与化学反应的解耦，以封闭化学反应源项^[11],推导严格但计算量较大。线性涡模型最早由kerstein（1988）对湍流流动的混合过程为描述湍流标量混合和扩散的一种随机模型提出，menon（1993）首次将该方法应用于燃烧亚格子模型^[12-13]，线性涡模型尝试在一维方向上描述流动在所有尺度的过程，如分子扩散和化学反应，其偏向于一个经验模型，人为操作痕迹较为明显，求解困难，且操作过程的不正常扩散未得到较好的解决。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容、目标

本研究计划基于openfoam开源软件，将火焰面模型与大涡模拟控制方程耦合，并对钝体燃烧器进行数值模拟，将计算结果与实验数据、其它模拟方法得到的结果进行比对，总结计算结果，分析误差，验证模型可行性，提出改善方案。具体需要确定模拟的合理燃烧器模型，建立火焰面数据库，在openfoam中编译求解程序，对燃烧器强湍流案例进行仿真计算，最后与实验数据对比分析结果。

2.2技术方案及措施

3. 研究计划与安排

第1—2 周：英文文献翻译，完成开题报告和文献综述；

第3—5 周：火焰面数据库及湍流火焰面的模型建立；

第6—8 周：使用模型对钝体燃烧器进行数值模拟，计算得出温度、轴向速度等参数；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]pope s b．turbulentflows[m]．cambridge press，2001．

[2]branley n, jones w p. large eddy simulation of a turbulent non-premixedflame[j]. combustion flame, 2001, 127(1):1914-1934.

[3]moser r d, kim j, mansour n n. direct numerical simulation of turbulent channelflow up to re=590[j]. physics of fluids, 1999, 11(4):943-945.