化學反應(yīng)流體動力學模型演示課件

1、1,第三講 化學反應(yīng)流體動力學模型,2009.10.12,2,化學反應(yīng)流體動力學概念 流動過程和模型 化學反應(yīng)模型 點火模型 狀態(tài)方程 實例介紹,化學反應(yīng)流體動力學模型,3,1.化學反應(yīng)流體動力學概念,化學反應(yīng)流體動力學現(xiàn)象： 燃燒： 一種帶有劇烈化學反應(yīng)的流動現(xiàn)象。實際燃燒過程是一個包含流體流動、傳熱和化學反應(yīng)以及它們之間相互作用的復雜的物理和化學過程。 化學爆炸： 由于物質(zhì)在一定的條件下產(chǎn)生化學，在反應(yīng)的過程中，急劇釋放能量而引起爆炸。 爆轟： 化學反應(yīng)陣面沿炸藥超聲速傳播的過程。,4,1.化學反應(yīng)流體動力學概念（續(xù)）,化學反應(yīng)流體動力學基本內(nèi)涵： 流動： 物質(zhì)在空間中的運動。 化學反應(yīng)：

2、 物質(zhì)組成和性質(zhì)的變化，新物質(zhì)的生成，舊物質(zhì)的消亡。 動力學： 物質(zhì)系統(tǒng)演化的起始、發(fā)展和結(jié)束，是時間歷程的函數(shù)。 狀態(tài)： 某一時間t、位置r物質(zhì)的性質(zhì)，局部迅速熱動平衡假設(shè)。,5,2.流動過程與模型,層流和湍流的概念 層流： 一種有規(guī)則的流動狀態(tài)。 湍流： 一種無規(guī)則的流動運動，在湍流中各種量呈現(xiàn)著隨時間和空間的隨機變化，但這些量的統(tǒng)計平均值的變化是有規(guī)則的。 兩種狀態(tài)的區(qū)分：,雷諾數(shù),6,2.流動過程與模型（續(xù)）,湍流的產(chǎn)生 所流過的固壁的摩擦作用固壁湍流 具有不同速度的流體層之間的相互作用自由湍流,定量描述湍流參量 湍流尺度：包括長度尺度和時間尺度，取決于所研究體系的尺寸和流體的特征速度

3、 湍流強度（湍流脈動動能）：湍流的脈動具有擬周期性，可以看作具有不同脈動頻率的運動的疊加。,7,2.流動過程與模型（續(xù)）,湍流均流的描述 為什么要引入平均 直接模擬難題：為描述小尺度湍流特性，必須把研究體系至少分成相當于該尺度大小的網(wǎng)格，現(xiàn)有計算機的存儲量和運算速度與要求相距甚遠。,Kolmogorov小尺度定義,如體系特征尺寸0.2m，每個小渦團每個方向上5個網(wǎng)格,則：所需網(wǎng)格（1251e9 -1e11）,8,2.流動過程與模型（續(xù)）,湍流均流方法,時間平均,空間平均,概率平均,定?；驕识ǔ?均勻流場,不定常、不均勻,對體系湍流流量進行時間平均公式,湍流脈動量定義,9,2.流動過程與模型（續(xù)

4、）,湍流均流控制方程（雷諾方程）,連續(xù)方程,動量方程,能量方程,均流控制方程一般形式,組分方程,推導方法：對各因變量雷諾分解，進行雷諾平均,10,2.流動過程與模型（續(xù)）,流體流動基本方程,連續(xù)方程,動量方程,能量方程,流體流動方程一般形式,組分方程,11,2.流動過程與模型（續(xù)）,湍流均流方程組與基本方程組的異同,1）兩者在形式上一樣，由時間導數(shù)項、對流項、擴散項和源項構(gòu)成。,2）將基本方程組中的量換成了相應(yīng)的平均量,3）湍流均流方程中出現(xiàn)了新項,湍流輸運量,4）源項平均的表達式與基本方程有一些區(qū)別,未知的,12,2.流動過程與模型（續(xù)）,湍流模擬的思想觀點,1）把湍流輸運量用已知量或已有的

5、未知量表示出來，使得未知數(shù)的數(shù)目等于獨立方程或數(shù)學表達式的數(shù)目。,2）?；航o出多余未知量的近似表達式使問題封閉的過程。,3）湍流輸運量?；饕椒ǎ?湍流輸運系數(shù)的概念 直接尋找湍流輸運量的代數(shù)表達式或封閉的輸運方程。,13,2.流動過程與模型（續(xù)）,湍流粘性系數(shù)模型,湍流粘性概念：對應(yīng)于層流粘性，湍流渦團的脈動與分子熱運動有類似之處，也有粘性系數(shù)。,Boussinesq二維邊界層定義雷諾應(yīng)力：,非邊界層雷諾應(yīng)力定義,14,2.流動過程與模型（續(xù)）,如何確定湍流粘性系數(shù),主要影響因素： 湍流渦團脈動動能k 湍流的特征尺度L,湍流粘性系數(shù)模型分類（根據(jù)需要求解微分方程個數(shù)） 零方程模型混合長度

6、模型 單方程模型k方程模型 雙方程模型k-em模型,15,2.流動過程與模型（續(xù)）,混合長度模型,（Prandtl 1925 年提出） 兩條假設(shè)：,混合長度模型的不足： 沒有考慮對流和擴散過程的影響 許多流動中給出混合長度計算公式相當困難,16,湍流動能：,2.流動過程與模型（續(xù)）,單方程模型,（Kolmogorov 1942、Prandtl 1945 年提出） 要點：,2、仿照混合長度公式，用代數(shù)式給出長度尺度 3、建立和?；痥的微分方程，求得整個問題封閉,1、定義：,粘性系數(shù)：,17,2.流動過程與模型（續(xù)）,單方程模型（續(xù)）,湍流動能k的模擬方程,單方程模型的不足：（與混合長度模型一樣）

7、 沒有考慮對流和擴散過程的影響 許多流動中給出混合長度計算公式相當困難,18,2.流動過程與模型（續(xù)）,雙方程模型,Spalding認為： 既然構(gòu)成湍流的單元是渦團，所以湍流輸運應(yīng)當與渦量或渦量脈動值有關(guān)；從雷諾應(yīng)力輸運方程存在耗散項要?；头奖闾峁┩牧鞒叨取?Harlow和Launder建議： 把湍流動能耗散率e作為待求的第二變量。形成k-e模型,19,2.流動過程與模型（續(xù)）,雙方程模型（續(xù)）,湍流粘性系數(shù),湍流動能耗散率,湍流動能 耗散率,20,2.流動過程與模型（續(xù)）,湍流粘性系數(shù)模型的不足,兩個基本點： 1。Boussinesq的湍流應(yīng)力公式 2。認為湍流輸運可以用湍流動能和長度尺度

8、來標征。 不足： 1。無法正確描述流場梯度為零而湍流應(yīng)力不為零的一類流動。 2。湍流動能k和長度尺度L都是標量，它們構(gòu)成的湍流粘性系數(shù)無法體現(xiàn)出湍流輸運的各向異性。 3。不能較好描述分析強旋流、大曲率流動、受外力場作用較強的一類流動。,21,2.流動過程與模型（續(xù)）,雷諾應(yīng)力方程,雷諾應(yīng)力與均流梯度作用,標量湍流輸運量與重力場作用,壓力應(yīng)變項,擴散項,耗散項,22,2.流動過程與模型（續(xù)）,流動過程模型小結(jié),為了能夠定量描述工程上感興趣的湍流均流場，必須建立均流場的控制微分方程組。 在對流體力學方程組NS方程雷諾分解和平均中，產(chǎn)生了未知的雷諾應(yīng)力項，導致問題不封閉。 為封閉問題，引入近似，即進

9、行“模擬”。 湍流模型多樣化。,23,2.流動過程與模型（續(xù)）,流動過程模型小結(jié)（續(xù)）,主要湍流模型 1。湍流粘性系數(shù)模型 仿照流體粘性概念，引入湍流粘性系數(shù)。 a. 零方程模型簡單自由湍流 b. 單方程模型 c. 雙方程模型（k-e模型）應(yīng)用范圍最廣的工程湍流模型。 2。雷諾應(yīng)力方程模型（微分模型和代數(shù)模型） 3。其它模型,24,3. 化學反應(yīng)模型,化學反應(yīng)基本過程,化學反應(yīng)系統(tǒng)模型： 燃料、氧化劑和產(chǎn)物構(gòu)成的系統(tǒng)，需要考慮其中的化學反應(yīng)機理，考慮化學反應(yīng)和物理過程的相互作用。 1.簡單化學反應(yīng)系統(tǒng) 2.復雜化學反應(yīng)系統(tǒng),25,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,簡單化學反應(yīng)系統(tǒng) 主要考慮化學反應(yīng)的熱

10、效應(yīng)和氣動效應(yīng)，而且化學反應(yīng)對流動狀態(tài)的影響主要由其熱效應(yīng)引起。 處理的問題主要是研究帶有化學反應(yīng)的流動問題。,復雜化學反應(yīng)系統(tǒng) 當需要考慮詳細的化學反應(yīng)機理，考慮化學反應(yīng)和物理過程的相互作用。 處理的問題主要是在參數(shù)均勻的系統(tǒng)內(nèi)的復雜化學反應(yīng)。,26,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,化學反應(yīng)快慢的度量 達姆克勒數(shù)Da 定義： 物理過程（流動、混合或拉伸）特征時間與化學過程特征時間之比。表征物理過程和化學過程速率的相對大小。 Da趨于0 沒有化學反應(yīng)發(fā)生 Da趨于無限大 快速反應(yīng) （化學動力學觀點：化學反應(yīng)速率無限大； 化學熱力學觀點：熱力學平衡態(tài)） Da不趨于0和無限大 有限速率反應(yīng) （反應(yīng)速率在

11、層流狀態(tài)中取決于體系的化學熱力學 狀態(tài) (溫度、應(yīng)力和反應(yīng)物濃度)；湍流狀態(tài)下還受湍流混合和脈動的影響。）,27,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,簡單化學反應(yīng)系統(tǒng),1公斤燃料+S公斤氧化劑（1+S）公斤產(chǎn)物 燃料和氧化劑之間的反應(yīng)可以用單步不可逆化學反應(yīng)表征；燃料和氧化劑按固定的質(zhì)量比化合成單一產(chǎn)物 系統(tǒng)中各組分的交換系數(shù)彼此相等 系統(tǒng)中各組分的比熱相等而且與溫度無關(guān)。,28,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,簡單化學反應(yīng)系統(tǒng)（續(xù)）,燃料質(zhì)量分數(shù),氧化劑質(zhì)量分數(shù),定義組合分數(shù),組合分數(shù)方程,29,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,簡單化學反應(yīng)系統(tǒng)（續(xù)）,系統(tǒng)中各組分濃度分布 對于擴散火焰（化學反應(yīng)速率無限大、燃料和

12、氧化劑在任何一店都不共存）,如果 f0,組合 f0,組合 f=0,30,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,復雜化學反應(yīng)系統(tǒng),作為實際反應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)描述復雜化學反應(yīng)和流動過程的相互作用。（有限反應(yīng)速率） 以一維非定常層流擴散火焰為例： 1） 控制方程組,連續(xù)方程,組分平衡方程,滯止焓平衡方程,31,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,復雜化學反應(yīng)系統(tǒng)（續(xù)）,2）化學反應(yīng) 化學反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在源項中，考慮一個由NS種化學組分構(gòu)成，可以發(fā)生JJ個基元可逆反應(yīng)的系統(tǒng)。,化學反應(yīng)方程式,源項,反應(yīng)速率,j=1,2,JJ,反應(yīng)速度常數(shù),32,3. 化學反應(yīng)模型（續(xù)）,復雜化學反應(yīng)系統(tǒng)（續(xù)）,3）輸運系數(shù) 假設(shè)第i種組分在系

13、統(tǒng)中的擴散系數(shù)可以用該系統(tǒng)中的雙元擴散系數(shù)確定?；旌衔锏恼承韵禂?shù)可用各個組分單獨的粘性系數(shù)來表示。 4）熱力學性質(zhì) 把有關(guān)的組分的熱力學性質(zhì)（焓、熵、比熱容等）表示成溫度的函數(shù)。,33,4.點火模型,點火基本概念 點火是化學反應(yīng)流體動力學的啟動過程。點火是一個很有意義的不穩(wěn)定燃燒過程。 點火的基本過程 以電火花點火為例，在一定條件下，電火花將點燃周圍的可燃混合氣，產(chǎn)生火焰，火焰在混氣中傳播，這就是所謂成功的點火。,34,4.點火模型（續(xù)）,點火模擬基本假設(shè) 1。為計算火花點火能量的傳遞，把火花?；癁橐粓F熾熱的惰性氣體。 2。熱氣團被突然置于處于靜止狀態(tài)的均勻的可燃混合氣中。 3?？扇蓟旌蠚怏w積

14、假設(shè)很大，可以忽略可燃氣體邊界對點火過程的影響。 4。熱氣團和可燃氣之間將發(fā)生對流和擴散，導致化學反應(yīng)，一定條件下引發(fā)火焰?zhèn)鞑ァ?5。忽略重力對動量交換，輻射換熱對能量傳遞的影響。 6。系統(tǒng)壓力不變。 問題歸結(jié)為：不穩(wěn)定的、球?qū)ΨQ的有化學反應(yīng)的層流過程。,35,4.點火模型（續(xù)）,點火過程方程組,連續(xù)方程,動量方程,能量方程,成分平衡方程,點火能量公式,p=const,36,4.點火模型（續(xù)）,點火過程方程組（續(xù)）,熱力學公式,輸運動力粘性,熱交換系數(shù),物質(zhì)交換系數(shù),化學反應(yīng)速度（單步不可逆型）,37,4.點火模型（續(xù)）,最小點火能的確定,最優(yōu)查詢法（三步法）： 1。建立點火是否成功的判據(jù)。認

15、為在點火開始一定時間后（大于點火延遲時間），如果研究區(qū)域內(nèi)的最大溫度近似于絕熱火焰溫度，就是點火成功。 2。用一般方法確定尋查區(qū)間。 3。在一般尋查區(qū)間內(nèi)用優(yōu)選法確定臨界半徑。,38,5.狀態(tài)方程,狀態(tài)方程的概念 通常是指物體的 PVT關(guān)系，即壓強P、體積V、溫度T之間的函數(shù)關(guān)系。有時除上述關(guān)系外，還將內(nèi)能函數(shù)E(V、T)包括在內(nèi)。,狀態(tài)方程的應(yīng)用 在計算過程中不斷更新計算域中各個單元或網(wǎng)格中的物理參量。同時，不斷應(yīng)用新的物理參量作為當前狀態(tài)求解新的時間步的狀態(tài)量。如此循環(huán)。,39,5.狀態(tài)方程（續(xù)）,理想氣體狀態(tài)方程,凝結(jié)態(tài)炸藥爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程,40,6.實例介紹,1） 方管中爆轟波傳播,反應(yīng)物 質(zhì)量分數(shù),壓力,密度,流線速度,41,6.實例介紹（續(xù)）,2） 方管中爆轟波傳播時螺旋爆