湍流预混火焰模型
合集下载
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。
湍流燃烧火焰面模式理论及应用(孙明波,白雪松,王振国著)PPT模板
0 5
2.5湍流预混 燃烧算例验证
0 6
2.6带自点火 特性的预混火 焰传播模型
第2章湍流预混燃 烧
参考文献
第2章湍流预混燃烧
2.1层流预混火焰
2.1.1层流 预混火焰结 构
2.1.2层流 预混火焰温 度
第2章湍流预混燃烧
2.2湍流预混火焰
0 1 2.2.1湍流预混火焰的基本性质
02
2.2.2湍流脉动与火焰的相互作 用
第1章湍流燃烧及其数值模拟概述
1.1湍流燃烧基本特性
1.1.1湍流 的基本特 性
1.1.2湍流 燃烧的特 点
第1章湍流燃烧及 其数值模拟概述
1.2化学反应流的数学描 述
1
1.2.1化学反应流控制方程
2
1.2.2化学反应机理及反应速率
第1章湍流燃烧及 其数值模拟概述
1.3湍流燃烧模拟的一般方 法
2.4.4G方程 和C方程比较
第2章湍流预混燃烧
2.5湍流预混燃烧算例验证
1
2.5.1均匀各向同性湍流中的火 焰核增长
2
2.5.2三角棱柱火焰稳定器的燃 烧模拟
3
2.5.3低旋流燃烧器的火焰稳定
4
2.5.4本生灯的火焰形状
第2章湍流预混燃烧
2.6带自点火特性的预混火焰传播模型
2.6.1预混 火焰自点火 耦合模型
n解和化学 平衡解
04
03
3.2.4火焰面结构的 渐近解
3.2.3详细化学反应 机理对层流扩散火 焰的影响
第3章扩散燃烧
3.3湍流扩散燃烧火焰面模型
01 3 .3 .1 扩散火焰 面模 02 3 .3 .2 火焰面模 型方
型合理性验证
浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9
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。
湍流预混火焰模型(精)
的公式
t C k1/ 2 CCD k 2 /
2) 假定 k1/2正比于混合长度与均流速度梯度绝对
值的乘积
则ε/k正比于均流速度梯度的绝对值 3) 燃烧速率一定与燃料浓度有关 二维边界层问题湍流燃烧速率
R fu,T
cEBU mfu
u y
(3-42)
2 湍流燃烧速率-1
g 0.7, cg1 2.8, cg2 1.79
4 温度修正的湍流燃烧速率
上述模型中没有考虑温度对燃烧速率的影响
均流速度梯度较大，但可燃气温度不高，无剧 烈化学反应发生区域，式(3-42)不可能给出合 理的燃烧速率
以平均参数表示的Arrhenius类型的燃烧速率
Rfu,A BP2mfumox exp(E / RT )
1 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
Rfu ~ / k
(3-41)
2 湍流燃烧速率-1
1) 对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度
§3.2 湍流预混火焰模型
预混火焰 / 层流火焰传播速度
燃料和氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合 的火焰称为预混火焰
层流火焰传播速度SL是可燃气的物理化学性质， 与流动参数无关
低雷诺数湍流
低雷诺数湍流中，火焰出现皱折和抖动，在高 速摄影中仍可发现火焰面基本连续
湍流火焰传播速度ST ST > SL ST与流动状态有关
Rfu Bmfumox P2 exp(E / RT )
(3-38)
湍流预混火焰模型(1)
尝试：Pope的博士论文(1976年)
单变量概率分布函数输运方程
D Dt
P( )
xi
P( )ui
P( )S ( )
P( )
xi
2
(3-76)
S(φ)是变量φ的源或汇
为使方程封闭，必须对有关的项进行模化。
模化方法
概率分布函数和脉动速度的二阶关联项
按照“梯度准则”进行模拟，在物理上表示概率分 布函数的湍流输运
或把式(3-81)写成
Rfu B 2mfumox exp(E / RT )[1 F]
(3-82)
F 概括了湍流脉动对平均化学反应率的影响，是
对燃烧速率进行模化的困难所在。
对燃料和氧化剂质量分数脉动值 的二阶关联项 mfumox 的控制方程
Borghi等人为简化模拟过程，略去温度脉动的影响，提
出了在F中的 mfumox 的控制方程
xi
ui mfumox
1
Dl grad mfu mox 2
2Dl gradmfu 3
gradmox
2t f
gradm fu 4
gradmox 5
graduimfu mox
K f [(mox Smfu )mfumox Smox mfu2 m fu mo2x (mox Smfu )6mfumox ]
评价
在简单的湍流火焰计算中获得与实验基本符合 的结果，仍需改进和完善。
建立双变量（混合分数和反应度）的联合概率 分布函数的输运方程(Pope)
§3.4 平均反应速率的 输运方程模型
湍流流动模型：模拟雷诺应力，建立了雷诺应 力的输运方程模型，在某些情况下获得了优于 应用湍流粘性系数模型得到的结果
(3-83)
单变量概率分布函数输运方程
D Dt
P( )
xi
P( )ui
P( )S ( )
P( )
xi
2
(3-76)
S(φ)是变量φ的源或汇
为使方程封闭，必须对有关的项进行模化。
模化方法
概率分布函数和脉动速度的二阶关联项
按照“梯度准则”进行模拟，在物理上表示概率分 布函数的湍流输运
或把式(3-81)写成
Rfu B 2mfumox exp(E / RT )[1 F]
(3-82)
F 概括了湍流脉动对平均化学反应率的影响，是
对燃烧速率进行模化的困难所在。
对燃料和氧化剂质量分数脉动值 的二阶关联项 mfumox 的控制方程
Borghi等人为简化模拟过程，略去温度脉动的影响，提
出了在F中的 mfumox 的控制方程
xi
ui mfumox
1
Dl grad mfu mox 2
2Dl gradmfu 3
gradmox
2t f
gradm fu 4
gradmox 5
graduimfu mox
K f [(mox Smfu )mfumox Smox mfu2 m fu mo2x (mox Smfu )6mfumox ]
评价
在简单的湍流火焰计算中获得与实验基本符合 的结果，仍需改进和完善。
建立双变量（混合分数和反应度）的联合概率 分布函数的输运方程(Pope)
§3.4 平均反应速率的 输运方程模型
湍流流动模型：模拟雷诺应力，建立了雷诺应 力的输运方程模型，在某些情况下获得了优于 应用湍流粘性系数模型得到的结果
(3-83)
6-湍流预混火焰讲解
湍流尺度l： 在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，处于宏观量级 若l<δ(层流焰面厚度)为小尺度湍流，反之为大尺度湍流 湍流强度ε： 描述湍流运动的速度为u=U+u’ U为平均速度， u’为瞬时脉动速度，u’=[(u’12+ u’22+…+ u’n2)/n]0.5 流体微团的平均脉动速度与主流速度之比为湍流强度 ε =u’/u 若u’>un（层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流
湍流火焰的特点
均匀、各向同性的湍流流场，可以用两 个特征量表示湍流特征：湍流强度和湍 流尺度
湍流尺度：
（1）流动特征尺度（与管径、绕流物体尺度有关） （2）积分尺度（湍流宏观尺度，大涡尺度） （3）泰勒微尺度（与平均应变率有关） （4）柯尔莫戈洛夫尺度（最小尺度，与旋涡耗散有关）
湍流火焰的特点
小尺度湍流预混火焰传播速度确定
湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等 于二者传输率之比的平方根
ut un
T n
1/ 2
T n
/ 0cp / 0cp
1/ 2
λt表示湍流热传导系数 λl表示层流热传导系数 根据相似性原理，分子导温系数α= λn/(ρ0cp), 故 湍流导温系数αt= λT/(ρ0cp)。在湍流中湍流导温 系数取决于湍流尺度和脉动速度乘积，即
a）小尺度湍流火焰（2300<Re<6000） 条件： l<δL
现象：能够保持规则的火焰锋面，火焰前 沿仍然平滑，只是增加了厚度，火焰锋面 不发生皱折，湍流火焰面厚度δT> δn
特点：小尺度湍流只是由于湍流增强了物 质的输运特性，从而使热量和活性粒子的 传输增加，使湍流火焰传播速度比层流火 焰传播速度快，而在其它方面没有什么影 响
湍流火焰的特点
均匀、各向同性的湍流流场，可以用两 个特征量表示湍流特征：湍流强度和湍 流尺度
湍流尺度：
（1）流动特征尺度（与管径、绕流物体尺度有关） （2）积分尺度（湍流宏观尺度，大涡尺度） （3）泰勒微尺度（与平均应变率有关） （4）柯尔莫戈洛夫尺度（最小尺度，与旋涡耗散有关）
湍流火焰的特点
小尺度湍流预混火焰传播速度确定
湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等 于二者传输率之比的平方根
ut un
T n
1/ 2
T n
/ 0cp / 0cp
1/ 2
λt表示湍流热传导系数 λl表示层流热传导系数 根据相似性原理，分子导温系数α= λn/(ρ0cp), 故 湍流导温系数αt= λT/(ρ0cp)。在湍流中湍流导温 系数取决于湍流尺度和脉动速度乘积，即
a）小尺度湍流火焰（2300<Re<6000） 条件： l<δL
现象：能够保持规则的火焰锋面，火焰前 沿仍然平滑，只是增加了厚度，火焰锋面 不发生皱折，湍流火焰面厚度δT> δn
特点：小尺度湍流只是由于湍流增强了物 质的输运特性，从而使热量和活性粒子的 传输增加，使湍流火焰传播速度比层流火 焰传播速度快，而在其它方面没有什么影 响
燃烧学-4.预混合气燃烧及火焰传播
第四章 预混合气燃烧及火焰传播
层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。
层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论
层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论
概述
一、预混合燃烧概念
定义
燃料和氧（或空气）预先混合成均匀的混 合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧（premixed combustion）。
四、预混层流火焰传播的数学模型
基本方程的建立
假设：假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿
管子传播，并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响，以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。
取火焰面厚度为△x的气体层为控制体。
基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
火焰的特征
具有发热、发光特征；—— 辐射现象 具有电离特性； 具有自行传播的特性。
火焰的分类
火焰自行传播
Байду номын сангаас
缓燃火焰(或称正常火焰) ( 0.2-1m/s )
爆震火焰（4. 3）
预混火焰 （第四章）
燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触 扩散火焰 （第五章）
火焰状态
移动火焰 驻定火焰
湍流火焰与层流火焰的区别
火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运：层流火 焰是通过热传导和分子扩散使火焰传播下去。而湍流 火焰是靠流体的涡团运动来激发和强化，受流体运动 状态所支配。
火焰的燃烧区域：湍流火
焰的燃烧不仅在火焰前沿
层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。
层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论
层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论
概述
一、预混合燃烧概念
定义
燃料和氧（或空气）预先混合成均匀的混 合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧（premixed combustion）。
四、预混层流火焰传播的数学模型
基本方程的建立
假设：假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿
管子传播，并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响，以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。
取火焰面厚度为△x的气体层为控制体。
基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
火焰的特征
具有发热、发光特征；—— 辐射现象 具有电离特性； 具有自行传播的特性。
火焰的分类
火焰自行传播
Байду номын сангаас
缓燃火焰(或称正常火焰) ( 0.2-1m/s )
爆震火焰（4. 3）
预混火焰 （第四章）
燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触 扩散火焰 （第五章）
火焰状态
移动火焰 驻定火焰
湍流火焰与层流火焰的区别
火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运：层流火 焰是通过热传导和分子扩散使火焰传播下去。而湍流 火焰是靠流体的涡团运动来激发和强化，受流体运动 状态所支配。
火焰的燃烧区域：湍流火
焰的燃烧不仅在火焰前沿
3.2火焰面模型
i st
1
2
3
混合物分数及组分、能量方程
Z Z Z u1 ( D ) t x1 x1 x1
（3-87） （3-88） （3-89）
Y Y Y u1 ( D ) W t x1 x1 x1
T T T C p u1C p ( ) h W t x1 x1 x1 1
G u G S L | G | t
对皱褶的层流火焰面和波纹板式的燃烧机制
G 0 u G S L | G | DL K | G | LS | G | t
0 L
其中 S 是不受拉伸的平面火焰的传播速度，K是火焰面的 曲率，S是流场应变率，L和层流火焰面厚度成正比，且 数量级相同，D 是一个扩散系数。
（3-101） （3-102）
Z 2 Z 2 Z Z 2 2 u ( Z 2u 2 D( ) j ) 2 Z u j t x j x j x j x j
梯度输运模型
Z u j Dt Z x j ， Z 2u j Dt Z 2 x j
（3-91） （3-92）
标量的瞬时耗散率
Pitsch等提出
2 D(
Z 2 ) x1
（3-93）
（3-94）
st f (Z )
Z 2 ln Z ， f (Z ) 2 Z st ln Z st
在湍流燃烧中，标量耗散率的平均值
Z Z st
P( )d f ( Z ) P( Z )dZ
f (G; xi , t ) ，
G( xi , t )
G2 ( xi , t )
1
2
3
混合物分数及组分、能量方程
Z Z Z u1 ( D ) t x1 x1 x1
（3-87） （3-88） （3-89）
Y Y Y u1 ( D ) W t x1 x1 x1
T T T C p u1C p ( ) h W t x1 x1 x1 1
G u G S L | G | t
对皱褶的层流火焰面和波纹板式的燃烧机制
G 0 u G S L | G | DL K | G | LS | G | t
0 L
其中 S 是不受拉伸的平面火焰的传播速度，K是火焰面的 曲率，S是流场应变率，L和层流火焰面厚度成正比，且 数量级相同，D 是一个扩散系数。
（3-101） （3-102）
Z 2 Z 2 Z Z 2 2 u ( Z 2u 2 D( ) j ) 2 Z u j t x j x j x j x j
梯度输运模型
Z u j Dt Z x j ， Z 2u j Dt Z 2 x j
（3-91） （3-92）
标量的瞬时耗散率
Pitsch等提出
2 D(
Z 2 ) x1
（3-93）
（3-94）
st f (Z )
Z 2 ln Z ， f (Z ) 2 Z st ln Z st
在湍流燃烧中，标量耗散率的平均值
Z Z st
P( )d f ( Z ) P( Z )dZ
f (G; xi , t ) ，
G( xi , t )
G2 ( xi , t )