2.3湍流与燃烧的相互作用解析
加力燃烧室湍流两相流动与燃烧的数值模拟的开题报告
加力燃烧室湍流两相流动与燃烧的数值模拟的开题报告1. 研究背景和意义随着发动机性能的不断发展和提高，越来越多的发动机需要使用高压燃烧技术，其中加力燃烧室是一种常见的应用。
在加力燃烧室中，高温高压气体加速进入燃烧室，与燃料相混合后进行燃烧反应。
加力燃烧室的工作过程受到许多因素的影响，如两相流动的湍流流动和燃烧。
因此，研究加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程，对于提高发动机的工作效率和性能具有重要意义。
2. 研究现状目前，对于加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程的研究主要是通过计算流体力学（CFD）数值模拟来实现的。
在湍流流动方面，常用的模拟方法包括Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS）模型、无网格方法以及直接数值模拟（DNS）。
在燃烧方面，主要研究化学反应机理和燃烧模型。
然而，由于加力燃烧室的复杂性和计算量的限制，目前的数值模拟方法还存在一些局限，如预测不准确和计算时间长等问题。
3. 研究内容和方法本文将采用CFD数值模拟方法，对加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程进行研究。
具体研究内容包括：（1）探究加力燃烧室中两相流动的特征和运动状态，建立相应的数学模型。
（2）应用RANS模型和无网格方法，分析加力燃烧室中的湍流流动特性，并分析其对燃烧过程的影响。
（3）采用化学反应机理和燃烧模型，模拟燃烧反应的过程，分析燃烧产物的形成及其在燃烧室中的分布和作用过程。
（4）通过模拟结果和实验数据的对比，验证所建立的数学模型的准确性和可靠性。
4. 预期成果和创新点本文的预期成果包括：（1）建立加力燃烧室湍流两相流动和燃烧的数学模型，并对其进行数值模拟计算。
（2）深入理解加力燃烧室的流动和燃烧特性，揭示其内在机理。
（3）验证所建立的数学模型的准确性和可靠性，并提出改进意见。
本文的创新点在于：（1）针对加力燃烧室的湍流流动和燃烧过程进行了全面系统的研究和探讨，为加力燃烧室的设计和优化提供了理论支持。
（2）采用多种数值模拟方法和化学反应机理，对加力燃烧室的流动和燃烧过程进行了深入分析和研究，为燃烧理论的应用和发展提供了新思路。
湍流参数对燃烧循环变动影响的模拟分析
将 整 个燃烧 室 分成 未燃 气 体 区和燃 烧 产 物 区 ， 者处 于热 力 平衡 状 态 。 质 量燃 烧 率 定 义 为紊 流火 焰 速 两 度 与火 焰前 锋 面积 及未 燃 区密 度 的乘 积 。这样 一来 ， 质量 燃 烧 率 的 计算 中直 接 反 映 了紊 流对 燃 烧 过 在
影 响 ， 由于燃 烧 过程 中汽缸 内湍 流 参数 测量 的 困难 ， 难通 过试 验 定 量地 描述 湍 流 参数 的 变 动对 燃烧 但 很
循 环变 动 的影 响 。
本文建 立 的汽 油 机准 维卷 吸燃 烧 模 型 ， 基 于 燃 烧 以球 面 波 的形 式 传 播 的假 定 ｌ ， 是 ３ 由火 焰 前锋 面 ］
维普资讯
２ ４
长 沙 交 通 学 院 学 报
第 １ ８卷
气 ， 封 闭系统 有 质量 和 体积 方程 ： 对
／ ７ ／＝ ／ ＋ ／６＝ 常数 ７ ／ ７ ／
通 过 上述 方 程联 立求解 ， 即可得缸 内压力 变 化率 ：
已燃 区温 度变 化 率 ：
［ （ｂ ． 一 （ Ｒ －Ｔ 鲁 ｂ Ｒ， Ｔ
２ 准 维 卷 吸燃 烧 模 型
２ １ 模型 的物 理 基础 ．
） ＋
（） ５
有紊 流 的燃 烧过 程如 图 ２所 示 。 当火 花 塞 跳 火 、 火延 迟 期 结 束 着 后， 火焰 即开 始 向未 燃 区扩 展 ， 形 成 一 反 应 区 ， 反 应 区前 锋 面 积 假 并 该 设 为球 面 ， 面积 为 Ａ，被卷 入 火焰 前锋 面的未 燃 气质 量 流量 为 ： 表 ，
Ｖ ＝ Ｖ 十
１卺 ［ｏｇ ＋ ＋ｃ～ｏ ） ｕ
Ｒｂ ｃ
＋ Ｒ
燃烧学burning-6湍流燃烧简介
∫
w s dT
（ ∂T )1 ∂y
=
Tm − T∞ b
=
Tm − T∞ c1x
λ T = ρ m c p ν T = ρ m c p u ′l = ρ m c p l 2
( Tm − T∞ ) 2
2 c1 x 2
u m −u ∞ b
= c 2ρ m c p xu ∞
湍流燃烧简介-(2)湍流射流扩散火焰 湍流燃烧简介-(2)湍流射流扩散火焰
基本方程
∂ ( ρ ur ) + ∂ ( ρ vr ) = 0 ∂x ∂r ρ u ∂u + ρ v ∂u = 1 ∂ ( rν T ρ ∂u ) ∂x ∂r r ∂r ∂r ∂Ys ∂Ys ∂Ys ρu + ρv = 1 ∂ ( rD T ρ )− ws ∂x ∂r r ∂r ∂r ρ uc p ∂ T + ρ vc p ∂ T = 1 ∂ ( r λ T ∂ T ) + w s Q s ∂x ∂r ∂r r ∂r ν T = D T = λ T /( c p ρ ) = cx 2 ∂ u ∂r
火焰面处 火焰温度
c p ( Tf − T2 ) − Yox ∞ Q ox Yox ∞ θf = = Yox ∞ + β − Yox ∞ Q ox Yox ∞ Q ox Tf = T2 + c p (1+ Yox ∞ / β )
湍流射流扩散火焰( 湍流射流扩散火焰(续2)
不用求解方程, 由一般分析可以证明湍流扩散火焰长度只和 管口半径及环境氧浓度有关, 和速度以及其它因素无关 火焰长度正比于管口半径 火焰长度大致和环境氧浓度成反比
Yox∞ + β + 4) Yox∞
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
第六讲 预混可燃气的湍流燃烧 PPT课件
§6.1 湍流燃烧及其特点
实际各种燃烧装置中的燃烧过程往往都是湍流燃烧过程。
所谓湍流的确切定义尚难明确，但与层流的平滑分布和有 秩序流动相比较，可认为它具有：
(1) 不规则性 只能用统计方法 (2) 扩散性 传递速度加快 (3) 具有明显的旋涡脉动 （尺寸大小：含能大、小， 脉动具有耗散性） (4) 是一种流动（是流体受约束转弱的自收运动状态 ）
l
大尺度湍流火焰
l
强湍流火焰 湍流的脉动速度远大于层流火焰传播速度，此 时有：
u' SL
弱湍流火焰 湍流的脉动速度小于层流火焰传播速度，此时有
u' SL
湍流火焰稳定燃烧的条件： 一维湍流能量方程：
CP ST
dT dx
d dx
[(
T
)
dT dx
]
sQs
为便于分析，取无量纲后：
§6.2 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
V
(1) 测得U及θ
F
(2) 流入可燃预混气流量除以湍流火焰表面积
如何确定F是很困难的。
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
《燃烧学》课件
焰 折火焰表面理论 ”。
传 播
容积燃烧理论：萨默菲尔德和谢京科夫建立。将
理 湍流火焰的前沿看成燃烧反应区。又称为“微扩
பைடு நூலகம்
论 散理论”。
湍流火焰现象分类
湍流火焰
小尺度湍流火焰 （ l l ）
大尺度湍流火焰 （ l l ）
大尺度弱湍流火焰 （ u Sl ）
大尺度强湍流火焰 （ u Sl ）
小尺度湍流火焰
即:
St
Sl
Ft Fl
只要求出
Ft Fl
即可求出
St
谢尔金 : 假设湍流火焰表面是由无 数锥形组成。
St Sl
4d Ft 2
Fl
h2d2 2
l2
1 h 2 d/2
d l
hutul/Sl
h /r 2 u l/S l/l2 u /S l2
故： St Sl 1ku/Sl2
火焰前沿面积的计算：用锥体面积表示有一定的误差，最近开始应用分 形几何学的方法 。
示，也称为层流燃烧速度 ( laminar burning
velocity) ，用Sl表示。
——大小取决于反应速度、热量和活性中心的传
递速度。
数学表达式
Bussen 燃烧 嘴火焰
Un Ucos Sl Ucos
U—未燃混合气局部流速
静止坐标下的预混合气火焰传播速度分析
us——混合气流速 up——火焰面的移动速度 u0——火焰面相对未燃混合气的移动速度
基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
u u S l c o n st （4-11）
uCpddT xddxddT xWQ （4-12）
uddC xi ddxDddC xi W
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。
燃烧理论分析及相应计算
燃烧机理分析林树军浙江温岭燃烧过程高速摄影1燃料和空气混合气缸混合气残余废气过程湍流火焰燃气混合物燃料空气点火TDC@1430r/min&部分负荷Lamberda=1.30喷油角度为30CRA BTC出现火焰达到离火花塞最远的气缸壁理论温度最高点燃烧阶段划分火焰高速传播期火焰传播火焰扩散期早期火焰传播火焰终止火花点燃2燃烧机理解释内燃机的燃烧过程是湍流燃烧，而湍流燃烧是一种极其复杂的带化学反应的流动现象，湍流与燃烧的相互作用涉及许多因素，流动参数与化学动力学参数之间的耦合的机理极其复杂，用数值模拟方法分析和预测湍流燃烧现象的关键问题是正确模拟平均化学反应率，即燃料的湍流燃烧速率。
3燃烧湍流模型Eddy Break up(涡团破碎模型）Spalding的涡团破碎模型，其基本思想是：对预燃火焰、湍流燃烧区中的已燃气体和未燃气体都是以大小不等并作随机运动的涡团形式存在。
化学反应在这两种涡团的交界面上发生。
化学反应的速率取决于未燃气体涡团在湍动能作用下破碎成更小的涡团的速率，而此破碎速率正比于湍流脉动动能k的耗散率，其基本表达方式如下：该模型是AVL公司fire软件里面计算燃烧的基础计算模型。
4缸内传热模型5内燃机的传热既是与燃烧现象密切耦合的一个子过程，又是整个燃烧循环模拟的一个重要环节。
然而，内燃机的传热问题又被认为热问题中最复杂的一个，这是因为由于内燃机工作过程强烈非定温度变化的高度瞬变性，以致在毫秒量级的时间内，燃烧室表面的热流量从零变化到10MW/m2，同时温度和热流的空变化也非常剧烈。
在1cm 的位置上，热流峰值相差可达5MW/m2。
一般而言，发动机的传热计算包括3个方面：（1）工质与燃烧室热量的交换（包括对流和辐射两种方式）；（2）燃烧室壁内部的热传导；（3）燃烧室外壁与冷却对流和沸腾传热。
对于内燃机燃烧过程来说，主要考虑的第一项，因而对于内燃机传热模型方面主要考虑两个方面：1、工质与壁面之间的对流换热模型，2、是辐射换热模型。
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，第二相似假定适用的长度范围是
l EI l l DI ，称为惯性子区。
湍流中各种不同的尺度
惯性子区的速度尺度和时间尺度：
u(l ) (l ) u (l / ) ~ u0 (l / l0 )
2 1 3 2 3
1 3
1 3
1 3
2 3
（2-41） （2-42）
(l ) (l / ) (l / ) ~ 0 (l / l0 )
ui u j ui u j ui'u 'j ui 'u 'j u j 'ui' 'ui'u 'j
ui u j u u uiu j ui u j
'' i '' j
(2-32)
(2-33)
Favre平均和Reynolds平均比较
火焰面的传播速度定义为：
( u) S L
在未燃气中给定Yα和Tu的数值，已燃气边界采用梯度等于零和平衡 的边界条件，求解方程（2-46）和（2-47）可以求得火焰传播速度 SL 。
－层流预混火焰的结构
甲烷/空气层流予混火焰的结构
C p 假定混合物中各种组分的比热和扩散系数相等， D D ，普朗特数 P 1 ，斯密特数 Sc 1 。
* c−反应进程变量，τ −放热因子
湍流与燃烧有关的特性 －扩散性 湍流脉动引起流场中动量，化学组分和能量的输运。 －湍流是有旋的三维运动 涡旋的拉伸可以提高混合效率，增加燃烧表面积。 －相干结构 （也称拟序结构） 相干结构的存在会使流场中温度，化学组分或凝结相的分
布发生变化，影响燃烧过程，给湍流的统计描述带来困难。 －湍流中的尺度 湍流在长度尺度空间的动力学直接影响到湍流能量的 产生和耗散。最小尺度的湍流 Re 1 ，能量最终耗散为热。
－Favre平均（密度加权平均）“~”和雷诺平均“－”
ui ( xi , t ) ui ( xi , t ) ui ( xi , t ) ~ ( x , t ) u ( x , t ) u (x , t) u
i i i i i i
(2-30) (2-31)
ui ( xi , t ) ui ( xi , t ) / ( xi , t )
r
Cp ，
（1）内层的厚度 l 假定燃料消耗的时间尺度为 t ，根据量纲分析得： l (Dt )1/ 2 （2-49） （2）预热区的厚度 l F 和火焰面的时间尺度 t F
lF D D ， tF 2 SL SL
（2-50）
对于甲烷，在一个大气压下，l / lF 0.1 （3）氧化区的厚度 l
能量从大于 l 的涡旋向小于 l 的涡旋的传递速率 T (l )
T (l ) u(l )2 / (l )
（2-43） （2-44）
上式表明 T (l ) 与 l 无关，也即：
T (l EI ) T (l ) T (l DI )
层流预混燃烧的特征及其与湍流的相互作用
u ( )
1 4
1 2
( / )
Re u / 1
3 0 0
（2-34） （2-35） （2-36） （2-37）
将 u / l 代入Kolmogorov尺度定义式，可得最小和最大涡旋尺度 的比值：
/ l0 ~ Re
3 4
（2-38）
1 4
EI 0
EI
性；小尺度运动（l l EI ）是各向同性的。
－Kolmogorov 第一相似假定：当雷诺数相当大时，
所有湍流中小尺度运动的统计特性都是通用的，且 仅决定于粘性系数 和耗散率 。
小尺度运动的长度尺度，速度尺度和时间尺度（olmogorov尺度）：
( / )
3 1 4
SL（≈0.1-1m/s）主要决定于燃料和空气的当量比φ，未燃气的
( u ) 0 x
（2-45） （2-46） （2-47） （2-48）
u
Y J W x x
T T T C p u ( ) C p J h W qR x x x 1 x 1
－转变温度（H2-1000K，CH化合物-1300K） －燃料/空气的火焰传播极限值
fuel / air 0.5<φ<1.5，φ是化学当量比 （ fuel / air －层流火焰传播速度 S L
actual
）
stoichiometric
温度以及压力。假定火焰面是一个和x轴垂直的一维定常平面火 焰，在x=-∞时是未燃气，x=+∞时是已燃气。一维定常的连续 方程，化学组分和能量方程分别为：
u / u0 ~ Re
/ 0 ~ R
1 2 e
（2-39） （2-40）
其中
Re u0l0 / 。
－Kolmogorov 第二相似假定：雷诺数相当大时，长 度尺度为 l l 的湍流运动有通用性，但其特性仅 与耗散率 有关，而与粘性系数 无关。
0
引进长度尺度 l
DI
(lDI 60 )
2.3 湍流与燃烧的相互作用
湍流的判断
湍流的统计描述 －概率密度函数
对流场中某点（xi，t），概率密度函数P(ui)定义为速 度分量ui在ui和ui+δui之间的概率是P(ui)δui，P(ui，ρ) 定义为速度分量ui在ui和ui+δui之间,密度在ρ至ρ+δρ 之间的概率是的概率是P(ui ，ρ)δui δρ。 联合概率密度函数－P(u1 ，u2，u3，ρ ，Y1，……Yα，h)
湍流的尺度和典型尺度
－最大尺度
u0 ， 0 l0 / u0 ， Re l0 u0 / ， 3 2 3 能量传递速率是 u0 / 0 u0 / l0 ，耗散率 u0 / l0
l0
－Kolmogorov的局部各向同性假定：当雷诺数相当
大时，小尺度的湍流运动（ l l0 ）是统计各向同性 的。 1 定义 l 6 l ，当雷诺数很高时，大尺度运动（ l l ）是各向异
对于甲烷，l / l 3