湍流预混火焰模型(精)
燃烧理论基础-层流预混火焰共130页文档
燃烧理论基础-层流预混火焰
6
、
露
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
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。
第五章fluent预混燃烧模型ppt课件
1、预混模型理论
• 火焰前锋的传播：预混燃烧时，火焰发生在一个 非常薄的火焰层中，火焰前锋移动时，未燃反应 物燃烧变为产物，火焰层将反应的流场分为已燃 物区和未燃物区，反应的传播等同于火焰前锋的 传播
预混燃烧--Zimont模型
•
反应进程变量c：c
Yp
/
Y
ad p
p
p
Yp：当前产物的质量分数；
Ypad ：完全绝热燃烧后产物的质量分数；
预பைடு நூலகம்模型总结
• 适用条件
湍流 快速化学反应 只有预混合
• 限制条件
不能模拟运动学细节中的实际现象 （如点燃、熄灭和低Da数）。
实例演练四：预混燃烧
混合燃料入口2
混合燃料入口1
烟气出口
湍流长度尺寸常数CD 湍流火焰速度常数A
拉伸系数 湍流施密特数Sct
拉伸系数
• 为了考虑火焰面拉伸所导致的吹熄现象，在 反应源项中乘以一个拉伸因子 G，即GSC ：
其中：
• 以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：
A=0.52，CD=0.37，μstr=0.26， Sct =0.7
温度的计算
• 关键：捕获湍流火焰速度，受层流火焰速度和湍流的 影响。
预混模型使用限制
• 必须使用非耦合求解器； （define-models-solver: Pressure based） • 只对湍流、亚音速模型有效； • 不能和污染物模型（如NOx）一起使用； • 不能模拟离散相粒子的反应，只有惰性粒
子才能与预混模型一起使用。
的情况。
3、FLUENT相关设置
1、选择预混模型
2、确定绝热或非绝热
（如果有fluent材料库 中的模型，可以首先选 择一种）
湍流预混火焰模型(1)
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)
燃烧学 4预混合气燃烧及火焰传播
?
? Tf
wQ dT
Tb
? dT
dx
b?
?
2
?
Tf wQdT
Tb
(4-19)
dT dx
b?
?
?uC p ?
?Tb
?
T?
?
(4-16)
? dT
dx
b?
?
2 Tf wQdT
? Tb
(4-19)
? ? ? u ? ? u? ? ? Sl ? const
Sl ? u? ?
? 2? Tf WQdT Tb
? d 2T ? WQ ? 0
dx 2
d dx
? ??
dT dx
? ??
?
?
wQ
?
x?
x?
?? : T ? Tf
0 : T ? Tb
, dT dx
?
0
dT dx
d
? dT ?? dx
? ??
??
wQ
? dT
d
?1 ?? 2
(dT )2 dx
? ??
?
?
wQ
?
dT
? 1 ( dT )2 ? 1 ( dT )2
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳
4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷
? 燃料性质的影响
——导热系数λ，定压比 热容Cp和密度ρ
Sl ?
?
C
2 p
?
2 ?
——燃料化学结构
? 烷烃随含碳量的增加， 火焰传播速度基本不变。
6-湍流预混火焰讲解
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。
预混燃烧的燃烧模型
预混燃烧的燃烧模型摘要为了达到抑制污染物排放，实现燃料的清洁燃烧的目的，人们采取了很多办法。
“节能减排”促使燃烧系统采用贫燃燃烧技术，它具有降低NOx、CO等污染物，提高燃烧效率的作用。
但这种燃烧方式的燃烧极限范围很窄，而且火焰稳定性差，容易诱发燃烧系统的不稳定性，如火焰的热声耦合振荡，这种不稳定性会造成更大的污染和浪费。
新型燃烧器的设计必须克服这些缺点，以达到“节能减排”的目的。
首先本文以FLUENT软件为平台，构建了合理的数学物理模型，对甲烷-空气预混燃烧过程进行了数值模拟，实验证明，贫燃料燃烧及贫氧燃烧都可以起到降低污染物排放的目的。
并利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其NO）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧速度场、温度场、以及污染物（X的最佳工况。
其次本文了解不同燃烧模型对流场结构、燃烧结构的影响，与实验结果比较，探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。
本文通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。
通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图，燃烧的污染物NO的云图进行分析研究，得出结论。
关键词预混燃烧数值模拟FLUENT 部分预混燃烧Title Pre-mixing combustion combustion modelAbstractIn order to achieve inhibit pollutants, realize fuel clean burning purpose, people taken a lot of measures. "Energy conservation and emission reduction" prompted combustion system using poor fuel combustion technology, it has to reduce pollutants such as NOx, CO, increase the combustion efficiency role. But this kind of combustion way combustion limit range is very narrow, and flame stability is poor, and likely to cause combustion system instability, such as flame of thermoacoustic oscillation, the coupling instability will cause more pollution and waste. New burner's design must overcome these shortcomings, to achieve "the purpose of energy saving and emission reduction".Firstly this paper with FLUENT software for the platform, and constructs the reasonable mathematical physics model of methane - air pre-mixing combustion process was simulated, the experiment proof, the poor fuel combustion and poor oxygen burning can reducing pollutant purpose. And using the method of numerical simulation of combustion model for different under the condition of pre-mixing combustion characteristics of methane areanalyzed, observe its velocity field and temperature field, and the distribution of pollutants (), found the relevant law pre-mixing combustion, seeking the best condition burning. Then this paper to understand different combustion model convection field structure, the influence of combustion structure, compared with the experimental results, this paper discusses how to improve the design accuracy numerical simulation, and at the same time, improve the stability pre-mixed flame out rules and explore the inhibiting combustion instability strategy.This article through numerical calculation, obtained in different combustion model columnar combustion chamber under the numerical simulation results of methane combustion, analysis, we found that the different combustion model for the influence of methane combustion characteristic of different also. Through the burning rate distribution, the flame temperature distribution of convective, the combustion pollutants analysis of NO cloud, draws the conclusion.Keywords：Pre-mixing combustion Numerical simulation FLUENT Part pre-mixing combustion绪论课题的研究背景及意义燃烧室作为燃气轮机中最重要的部件，是利用燃料的燃烧，提高进入涡轮的气流温度的装置。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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)
假定压力脉动可暂不考虑，一般情况下由于浓 度脉动和温度脉动的相关性
Rfu Bmfumox P2 exp(E / RT )
如何模拟 Rfu 呢？
(3-39)
模拟 Rfu
对式(3-38)中的浓度和温度进行雷诺分解，对 整个式子进行雷诺平均，对产生的脉动值二阶 关联项逐项模拟求得方程的封闭。
借助于k和ε
Rfu,T cR g1fu/ 2 / k
(3-43)
CEBU和CR是常数，CEBU = 0.35 ~ 0.4，CR ≈ 6
gfu是燃料质量分数的脉动均方根
g fu mfu2
(3-44)
(3-43)不仅适用于二维边界层问题，而且适用于 其它二维和三维湍流预混燃烧速率的计算
在研究区域内，均流的类型可以近似地考虑成 具有如下的特征
稳定的湍流平面流动 压力仅在主流方向上变化 主流方向上的扩散、导热和粘性作用相比可忽略不
计 辐射换热可以不计 SCRS假设有效
控制均流的微分方程组 - 1
连续性方程
(ur) (vr) 0
x
y
Stretch-Cut-And-Slide Model (SCASM)
1) 基本思想(Spalding, 1976 )
把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃 气团；气团在湍流的作用下受到拉伸和切割， 重新组合，不均匀性尺度下降；在未燃气和已 燃气界面上存在着连续的火焰面，它以层流火 焰传播速度向末燃部分传播。
轴向动量方程
(ur u)
滞x止焓方程 y
(vr
u)
y
r
e
u y
rga (
)
x
(ur
h)
y
(vr
h)
y
rh
h y
y
(e
h
)r
(1 u2) 2 y
涉及的需要模化的量很多，在研究湍流燃烧模型的 初期开展这种模化十分困难
设法找到影响 Rfu的主要因素，提出 Rfu 的简化 表达式，求得方程的封闭，而后通过计算和实 验的对比改进模型，发展模型。
比较成功 EBU模型和SCASM模型
以通道内钝体后方预混气体燃 烧的湍流流动的模拟为算例
2
m fu z
2
(3-45) (3-46)
建立gfu的输运方程 二维边界层问题
Dg fu Dt
y
g
g fu y
cg1
e
m fu y
2
cg2 g fu / k
(3-47)
g e / g； g、cg1和cg12 为常数，其值通常取为
(对于二维边界层类型的燃烧问题，计算表明，用式(3-42)比用式 (3-42)得到的结果更与实验吻合 )
3 燃料质量分数的脉动均方根
gfu的求法(两种) 用 m fu或其梯度来表示
g fu cm2fu
或
g fu
l2
m fu x
2
m fu y
控制均流的微分方程组 - 2
组分方程
x
(umj )
y
( vm j
)
y
j
m j y
Rj
湍流脉动动能方程
湍流耗散率方程
(3-40) (3-2) (3-3)
3.2.1 旋涡破碎模型
旋涡破碎模型(EBU)
Eddy-Break-up (EBU)
功绩在于正确地突出了流动因素对燃烧速率的 控制作用，给出了简单的计算公式，为湍流燃 烧过程的数学模拟开辟了道路。
不足：该模型未能考虑分子输运和化学动力学 因素的作用
适用范围：一股说来，EBU模型只适用于高雷 诺数的湍流预混燃烧过程。
3.2.2 拉切滑模型
1 湍流燃烧模型
在EBU模型基础上，为了体现分子扩散和化学动 力学因素的作用
高雷诺数湍流燃烧
不再存在单一连续的火焰面，整个燃烧区由许 多程度不同的已燃和未燃气团组成-----“容积燃 烧”
影响燃烧速率的因素
流动状态 分子输运过程和化学动力学因素
湍流燃烧速率
平均化学反应速率
使均流方程组封闭的关健
简单化学反应系统，瞬时反应率遵守双分子碰 撞模型的Arrhenius公式
比较(3-4A 和 Rfu,T ]
(3-49)
5 平面管道内火焰稳定器后面的燃烧场
Spalding et al 结果优于只用
阿伦纽斯类型 的公式(3-48)得 到的结果，与 实验数据的趋 势符合
6 对旋涡破碎模型的评价