PaSR湍流燃烧模型对典型湍流射流火焰的数值模拟
Fluent燃烧模型介绍
1.Generalized Finite-Rate Model（通用有限速率模型）该模型基于求解组分质量分数疏运方程，化学反应机理由用户自己定义。
反应速率在组分疏运方程中作为源项，并且由阿累尼乌斯公式计算。
该模型适合求解预混，部分预混以及非预混湍流燃烧。
2.Non-Premixed Combustion Model（非预混燃烧模型）该模型求解混合分数输运方程，单个组分的浓度由预测得到的混合分数的分布求得。
该模型是专门为求解湍流扩散火焰问题而发展，有许多方面都比有限速率模型要优越。
该模型考虑了湍流对燃烧的影响，反映机理不能由用户自己设定。
）3.Premixed Combustion Model（预混燃烧模型）该模型主要针对纯预混湍流燃烧问题，在这些问题中，反应物和生成物由火焰峰面隔开，该模型通过求解各种反应过程参数来预测火焰峰面的位置，该模型为考虑湍流对燃烧的影响，引入了一个湍流火焰速度。
4.Partially Premixed Combustion Model（部分预混燃烧模型）该模型针对预混合肥预混燃烧都存在的湍流反应流动。
通过求解混合分数方程和反应过程参数来确定火焰峰面的位置。
position PDF Transport Combustion Model（组分概率密度输运燃烧模型）该模型用来模拟湍流火焰中实现中存在的有限速率反应，任意的反应机理都可以导入FLUENT，该模型可用于求解预混，非预混及部分预混火焰，但只用此模型需要大投资。
FLUENT软件的燃烧模型介绍Fluent软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题，包括固体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。
燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。
下面对Fluent软件的燃烧模型作一简单介绍：一、气相燃烧模型1.有限速率模型这种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。
预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟（Ⅱ）数值模拟结果及分析
预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟（Ⅱ）数值模拟结果及
分析
预燃室三维湍流和燃烧过程的数值模拟(Ⅱ)数值模拟结果及分析
用三维湍流N-S方程和单步快速不可逆化学反应描述液氧-煤油液体火箭发动机预燃室内的三维湍流和燃烧过程.采用同位网格和SIMPLE算法求解控制方程,得到了喷注单元和预燃室内参数的详细分布.结果表明,预燃室结构设计合理,其出口处燃气浓度、温度分布均匀,质量加权平均温度与实际温度接近.同时表明,预燃室头部的喷注单元和液氧二次喷注孔的结构排列,喷注单元的流动和燃烧状况,液氧二次喷注孔的入口参数等,对预燃室出口燃气温度等参数分布的均匀性影响很大.
作者：冯喜平何洪庆葛李虎作者单位：冯喜平,何洪庆(西北工业大学,航天工程学院,陕西,西安,710072)
葛李虎(陕西动力机械设计研究所,陕西,西安,710100)
刊名：推进技术ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY 年，卷(期)：2002 23(3) 分类号：V434.13 关键词：液体推进剂火箭发动机预燃室三维流湍流燃烧反应流数值仿真。
圆筒炉内燃烧器出口湍流流动和燃油燃烧的三维数值模拟
O perat ing mode % & Excess ai r 1. 2 1. 2 M ass fl ow rate / kg ∋ h- 1 212. 8 212. 8
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T emperat u re1) / K 296 391
图2 图1 Fig. 1 油 、气联合燃烧器结构图 Schematic of the oil gas burner
油 、气燃烧器网格图
Fig. 2 Mesh of the oil gas burner
在冷态下用马尔文 M ast ersizer 1998 激光粒度测试仪 ( 英国 M AL VERN 公司 ) 测定重油雾化粒度 , Saut er M ean Diamet er ( SM D) 为 50 (m 、分布指数 n 为 2. 3。为了详细研究燃烧器出口气液两相流动和 燃烧行为 , 分别对冷态液雾两相流动 ( % ) 、热态液雾两相流动和燃烧 ( &) 两种工况条件进行了数值模 拟, 工况条件见表 1。
收稿日期 : 2005 09 07 通讯联系人 : 毛羽
50
石油学报 ( 石油加工 )
第 22 卷
方式提高加热炉热效率有重要意义。同时液雾燃烧是一个包含气、雾两相流动、传质传热及化学反应的 复杂过程 , 国内外学者
[ 1- 3]
对其进行了一定的研究, 但限于测试手段, 实验获得信息有限, 难以详细了
W fuel = min[ W fuel, Arr , W fuel, EBU ] 1. 3 液雾蒸发模型
在液雾颗粒相的控制方程中需要确定液滴的蒸发速率。在加热炉中, 液雾处于一种流动状态下, 在 液滴周围是一个强迫对流环境 , 因此采用球对称 折算薄膜 [ 6] 理论求解单个液滴的蒸发速率, 其表达 式为 : m = ∀d p Nu p 1. 4 辐射传热模型 燃烧室内温度很高, 辐射传热是其主要的传热方式。计算辐射传热的目的是为了给气相能量方程的 求解提供合适的辐射传热速率。离散坐标法
湍流燃烧数值模拟的研究与进展
湍流燃烧数值模拟的研究与进展湍流燃烧是指在燃烧过程中，燃料与氧化剂在湍流的条件下相遇和反应。
湍流燃烧数值模拟是一种通过计算机模拟湍流燃烧过程的方法，可以提供燃烧器内部的流场和温度分布等信息，对于燃烧器的设计和优化具有重要的意义。
本文将对湍流燃烧数值模拟的研究与进展进行探讨。
首先，湍流模型的选择是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
湍流现象十分复杂，需要选择适当的湍流模型来模拟湍流流动。
常用的湍流模型有雷诺平均应力模型(RANS)和大涡模拟(LES)。
RANS是一种将湍流场分为均匀部分和涡旋部分的统计方法，适用于模拟湍流较为稳定的情况；而LES则能模拟较为精细的湍流结构，但计算量较大。
根据具体问题的复杂程度和计算资源的限制，选择适当的湍流模型具有重要意义。
其次，化学反应模型的建立是湍流燃烧数值模拟的另一个关键问题。
燃烧过程中涉及到多种化学反应，需要建立合适的化学反应模型来描述燃烧反应。
常见的化学反应模型有简化化学反应模型和详细化学反应模型。
简化化学反应模型基于简化的反应机理，计算速度较快；而详细化学反应模型则基于包含大量反应步骤的反应机理，计算速度较慢但结果更精确。
根据具体问题的要求和计算资源的限制，选择适合的化学反应模型具有重要意义。
此外，边界条件的设定也是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
边界条件的合理设定可以保证计算结果的准确性。
常用的边界条件有Inflow Boundary Condition、Outflow Boundary Condition、Wall Boundary Condition等。
对于湍流燃烧数值模拟，还需要考虑湍流场的边界条件，例如由湍流脉动引起的湍流输运方程中的涡粘性项的边界条件等。
最后，计算方法的选择也对湍流燃烧数值模拟的结果和计算速度有着重要的影响。
常用的计算方法有有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)等。
这些方法在计算精度和计算速度方面各有优势，需要根据具体问题的要求选择适当的方法。
湍流燃烧数值模拟的研究与进展
湍流燃烧数值模拟的研究与进展湍流燃烧是指在燃烧过程中，燃料与氧气的混合和燃料的燃烧过程都受到湍流的影响。
湍流燃烧的数值模拟是研究湍流燃烧的重要手段之一，对于理解湍流燃烧过程、改善燃烧效率和降低污染物排放具有重要意义。
本文将对湍流燃烧数值模拟的研究与进展进行详细介绍。
湍流燃烧数值模拟是通过计算流体力学方法，对湍流燃烧过程中流体流动和燃烧反应的数值模拟。
它可以提供详细的流场和燃烧反应的信息，如速度场、温度场、浓度场和压力场等。
湍流燃烧数值模拟主要包括湍流模型和燃烧模型两部分。
湍流模型是描述湍流流动的数学模型，常用的有雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）模型和大涡模拟（LES）模型。
RANS模型通过平均化处理来描述湍流，适用于高雷诺数流动，但对湍流涡结构和湍流耗散率的预测比较有限。
LES模型通过直接解决大尺度湍流结构，能够更准确地模拟湍流行为，但计算量较大。
近年来，混合RANS/LES模型和基于人工神经网络的模型等新兴模型也得到了广泛应用。
燃烧模型是描述燃烧反应的数学模型，常用的有化学动力学模型和乘数离散方法。
化学动力学模型是基于化学反应速率方程，描述燃烧反应速率。
乘数离散方法是一种解耦的方法，将燃烧反应和流动动力学分开求解，适用于高雷诺数湍流燃烧。
近年来，模型还包括了湍流-化学耦合模型，用于描述湍流和燃烧反应之间的相互作用。
湍流燃烧数值模拟在工程和科学研究中得到了广泛应用。
在火力发电、内燃机燃烧和燃煤燃烧等过程中，湍流燃烧数值模拟可以用于优化燃烧器设计、降低燃料消耗和污染物排放等。
在燃烧领域的科学研究中，湍流燃烧数值模拟为理解燃烧机理、预测燃烧性能和开发新型燃料提供了重要工具。
然而，湍流燃烧数值模拟仍然面临一些挑战。
首先，湍流燃烧过程涉及到复杂的物理和化学过程，模型的准确性仍然有待提高。
其次，湍流燃烧数值模拟的计算量较大，耗时较长，需要更高的计算能力。
此外，湍流涡结构的尺度范围较广，涡旋之间的相互作用复杂，对数值模拟的网格尺寸和网格生成有较高的要求。
湍流燃烧及其数值模拟
湍流燃烧及其数值模拟研究1. 湍流燃烧1.1湍流燃烧基本概念当流动雷诺数数较小时，由于流体粘性的作用，流体呈层流流态。
当流动的特征雷诺数超过相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。
湍流燃烧是指湍流流动中可燃气的燃烧，在能源、动力、航空和航天等工程领域,经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程。
湍流燃烧实质是湍流，化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。
湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。
小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加，从而使化学反应速率增加。
但气流脉动不会火焰面产生皱褶，只能把火焰变成波纹状。
大尺度湍流对火焰内部结构没有影响，但使火焰阵面出现皱褶，增加其燃烧面积，造成火焰表现传播速度增加。
当湍流强度及湍流尺度均较大时，火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。
燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀，影响气体的密度和运动速度，从而影响当地的涡旋，湍流强度和湍流结构。
1.2湍流燃烧分类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、预混燃烧和部分预混燃烧。
在湍流非预混燃烧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，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。
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。
在湍流燃烧中,湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响.湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率,同时化学反应放热过程又影响着湍流,如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容.湍流是非常复杂的，它包括湍流问题，湍流与燃烧的相互作用，流动参数与化学动力参数之间的耦合机理等问题。
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。
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
基于PaSR湍流燃烧模型的直喷式柴油机火焰举升长度
Ｆｂ ０ ８ ｅ ．２ ０
基于 Ｐ Ｓ ａＲ湍流燃烧模型的直喷式柴油机火焰举升长度
虞 育松 ， 国岫 ， 晶 晶 李 孙
（ 北京交通 大学 机械与 电子控 制工 程学院 ， 北京 １ｏ４ ） ０ｏ４
摘
要 ： 于 ＰＳ 湍 流燃烧 模型对直喷式柴油机燃烧 过程 中的火焰 举升 （ｆｏ 基 ａＲ １－ ｉ 长度 进行 了研究 ． 【 ｌ 分析 了喷 油系
（ｃｏｌ ｆ ｅｈｎ ａ ａｄＥｅｔｎｃＣｎ ｏ Ｅ ｇ ｅｒｇ ｅｉ ｉ ｔ ｎ ｅ ｉ ， ｅ ｉ ００４ Ｃ ｉａ Ｓｈｏ ｏ ｃａｉ ｌ ｎ ｌ ｒ ｉ ｏｔｌ ｎｉ ｅｎ ，Ｂ ｉｎ Ｊ ｏ ｎ Ｕ ｉ ｒｔ Ｂ ｉ １０４ ， ｈｎ） Ｍ ｃ ｃｏ ｒ ｎ ｉ ｊ ｇ ａｏ ｇ ｖ ｓｙ ｊ ｇ ｎ
统参数（ 喷油规 律、 喷孔直径 、 喷油压力 ） 对火焰 ｌ－ 长度 的影响 ． ｉ ｆ 【 ｌ 研究结果表 明， 火焰 的 ｈ－ 从燃 烧初期便 开始 ｆ 【 ｌ 出现 ， 随后相 当长一段时间 内较为恒定 ， 在 一直到 喷油 末期火焰 ｌｌ 长度才 开始发生较大变化 ． ｉ ｆ 【 － 喷油规律 、 喷孔直
ＬｉｔＯｆ ｎ ｔ ｆＦｌｍ ｅ ｉ ｅ ｅ ｇｎ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｆ— ｆ Ｌｅ ｇ ｈ ｏ ａ ｎ ａ ＤＩＤｉｓｌＥｎ ｉ ｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｐａ Ｒ
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航空发动机燃烧过程的数值模拟与优化设计
航空发动机燃烧过程的数值模拟与优化设计航空发动机是现代航空领域中至关重要的关键部件之一。
其性能的优化设计对于提高燃烧效率、减少排放、延长发动机寿命等方面具有重要意义。
数值模拟与优化设计成为航空发动机燃烧过程中重要的工具，能够准确预测和改善燃烧过程中的各种因素。
数值模拟是通过将燃烧过程的数学模型转化为计算机模型来模拟和分析发动机燃烧过程。
通过数值模拟，我们可以了解燃烧室内的燃烧过程、温度和压力分布，以及燃烧产物的生成和分布情况。
这些数据可以帮助我们更好地理解整个燃烧过程，进一步优化发动机的设计。
在数值模拟中，燃烧室内的物理过程被描述为燃烧室内的辐射传热、湍流燃烧和化学反应等一系列耦合过程。
通过求解这些方程，可以得到燃烧室内温度、压力和速度分布等参数。
这些模拟结果可以与实验数据进行对比，验证数值模拟模型的准确性。
除了数值模拟，优化设计也是改善航空发动机燃烧效率的重要手段。
优化设计可以通过调整燃烧室内的结构和参数来改善燃烧效率，提高燃烧效果。
优化设计的目标是找到燃烧室内最佳的结构和参数组合，以达到最佳的燃烧效果。
在优化设计中，常用的方法有参数化设计和多目标优化。
参数化设计是通过将燃烧室内的结构和参数进行参数化，然后通过数值模拟和优化算法来寻找最佳的参数组合。
多目标优化是通过定义多个优化目标，如最大化燃烧效率和最小化排放物生成量，来进行优化设计。
数值模拟和优化设计在航空发动机燃烧过程中具有重要的应用价值。
它们可以帮助航空工程师更好地理解燃烧过程，提高燃烧效率，减少排放，延长发动机寿命。
通过优化设计，航空工程师可以改善燃烧室内的结构和参数，最大限度地发挥航空发动机的性能。
然而，数值模拟与优化设计也面临一些挑战和限制。
首先，数值模拟的结果依赖于模型的准确性和参数的设置。
模型的准确性和参数的设置不当可能导致模拟结果与实际情况存在较大偏差。
其次，在优化设计中，多目标优化往往存在权衡关系，如燃烧效率和排放物生成量之间的权衡。
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摘要 ：采用 ＰＳ ａＲ湍流燃烧模 型对湍流燃烧研究 中典型 的 甲烷湍流射流火焰 进行 了数值模拟 。计算采用简化的化学反应机理，并将 计算得到 的平均温度场 、 速度场和各组分 的分布 与相 应的权威 实验 数据进行了对 比。 对反应系统 中流动和燃烧的不 同时间尺度 以及 二者之 间的关系作了探讨 。计算结果表 明，ＰＳ 模 型能够很好地模拟燃烧过程 中流场和组分的变化。在火焰面附近， 由于流动时 ａＲ 间尺度与燃烧 的时间尺度量级相当，局部混合作用在决定燃烧过程 和火焰 结构中发挥重要作用 。基于 ＰＳ ａＲ模型的时间尺度分析与 湍流火焰理论 中火焰／ 涡旋相互作用 的图谱 是一 致的。 关键词 ：湍流扩散火焰 ；ＰＳ ；数值模拟 ａＲ 中图分类号 ：Ｔ ０ ８ Ｆ ５ 文献标 志码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ －６ ９２ １）３０ ３ —６ ０ ２ １３ （０ １ ．０ ３０ ０
炉 窑 热 工
ＤＯ ：１ ． ６ ／ ｓ ．１０ —６ ９ ０ １ ３ １ Ｉ Ｏ３ ９ ．ｉ ｎ ０ ２ １３ ． １． ． ０ ９ ｊ ｓ ２ ００
工业加热 第４ 卷２ １ 年第 ３ Ｏ ０１ 期
ＰＳ ａ Ｒ湍流燃烧模型对典型湍流射流火焰的数值模拟
黄 威 ，赵 平辉 ， 叶桃 红
（ 中国科学技术大学 热科学与能源工程系 ，安徽 合肥 ２０２ ） ３ ０ ７