燃燒誘導(dǎo)爆炸ppt課件

1、燃燒誘導(dǎo)爆炸燃燒誘導(dǎo)爆炸南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理重點實驗室范寶春 內(nèi)容 預(yù)混火焰的基本特征 預(yù)混火焰的數(shù)學(xué)描述 火焰誘導(dǎo)爆炸過程 湍流燃燒的數(shù)值方法 一. 預(yù)混火焰的基本特性 1. 傳播性 2. 穩(wěn)定性 3. 壓縮性傳播性火焰結(jié)構(gòu)Arrhenius 定律反應(yīng)速度，燃燒速度和傳播速度傳播機(jī)制 燃燒和爆轟exp()kmmakkkEAYRT 穩(wěn)定性穩(wěn)定性分類失穩(wěn)誘導(dǎo)的湍流及加速火焰RAYLEIGH-TAYLOR (RT)不穩(wěn)定不穩(wěn)定 重力重力(Taylor) 加速度加速度Rayleigh-taylor) 壓力梯度：激波壓力梯度：激波Richtmyer-Meshkov, Markstein), 稀疏波稀疏

2、波KELVIN-HOLMHOLTZ(KH)不穩(wěn)定不穩(wěn)定DARRIEUS-LANDAU不穩(wěn)定不穩(wěn)定 受熱膨脹受熱膨脹BAROCLINIC EFFECT 密度梯度于壓力梯度斜交密度梯度于壓力梯度斜交密度間斷Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定Richtmyer-Meshkov-Markstein 不穩(wěn)定斜壓效應(yīng)火焰與反射波壓縮性20()1()fssuapxdutDdprlnppevCC Q1.燃燒是膨脹過程，引入熱性系數(shù)，描述燃燒導(dǎo)致的膨脹功2.加速火焰誘導(dǎo)的壓縮作用，類似加速活塞，在流場中可以誘導(dǎo)激波。3.激波足夠強(qiáng)時，直接點燃可燃?xì)怏w，燃燒氣體的膨脹，將

3、化學(xué)能傳遞給激波，使之自持，成為爆轟。其中21 ()fuDa 二. 預(yù)混火焰的數(shù)學(xué)描述 Navier-Stokes 方程 低Mach數(shù)燃燒方程 Euler 方程0iiutxi jijijju uuftxxj iititiiiiijueqeuutxxx FkkikkikiiYY uY Vtxxi ji ji jp jii jjiuuxxk T qiifFkkkiiYC VDx 化學(xué)反應(yīng)流的守恒方程N-S方程）21eDDtRu22222()()d Utxdyx 不穩(wěn)定性Stretching term Diffusion term uyx ()( )irkC tik x C ty eeeecRRee

4、cRR層流湍流(一定是三維問題)低速等壓燃燒22ijiieiDupMMDtxRx 21M 動量方程無量綱化當(dāng)時0ipx壓力在空間沒有分布,即沒有壓力波的存在該方程是燃燒學(xué)的基本方程Euler Equations0iiutxijijiuuuptxx iiiiueeuptxx 0iiuDDtx0iiDupDtx0iiuDepDtx0DsDt守恒型非守恒型該方程是爆轟學(xué)的基本方程1. 方程不適定(不唯一)2. 不能描述激波 0DsDt缺乏熵增機(jī)制3. 不能完全描述燃燒,特別是無激波誘導(dǎo) 的燃燒或DDT過程缺乏擴(kuò)散機(jī)制,火焰加速機(jī)制1. 將激波視著流場內(nèi)邊界,解是唯一確定的. 激波裝配2. 離散時的數(shù)

5、值粘性,與離散差分方程對應(yīng) 的修正方程是一個粘性流方程 激波捕捉3. 討論加速燃燒時,隨意選取反應(yīng)參數(shù) 或用 于激波誘導(dǎo)的燃燒局限性應(yīng)用時的處理三.燃燒誘導(dǎo)爆炸DDT過程弱點火火焰失穩(wěn)湍流猝發(fā)火焰加速(湍流燃燒)誘導(dǎo)激波(爆炸, Deflagration)自爆炸爆炸放大(SWACER)形成爆轟燃燒誘導(dǎo)爆炸過程與湍流有關(guān)。要準(zhǔn)確描述該過程的細(xì)節(jié)，判斷爆炸能否發(fā)生及其發(fā)生機(jī)制,還有待于湍流和湍流燃燒理論的發(fā)展和完善. 四. 湍流燃燒的數(shù)值方法湍流湍流特性 1. 一種用N-S方程描述的流動現(xiàn)象 2. 不可預(yù)測的隨機(jī)性(方程已失穩(wěn))幾個問題 1.能否通過N-S方程直接模擬 精度、分辨率 DIRECT

6、NUMERICAL SIMULATION SPECTRAL THEORY VORTEX ELEMENT METHOD 2.能否用統(tǒng)計力學(xué)描述 KOLMOGOROV CASCADE湍流問題的解 1.濾波 LES RAV 2.封閉問題 4121010eRN湍流燃燒 湍流燃燒問題非常復(fù)雜，同時也富有挑戰(zhàn)性 1.濾波時Arrhenius 公式帶來的困難 2.湍流脈動和化學(xué)反應(yīng)之間存在強(qiáng)烈的非線性耦合作用 成功的湍流燃燒模型 能夠考慮任意詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理 合理的解耦湍流脈動和化學(xué)反應(yīng)的非線性耦合早期燃燒模型及其缺陷直接封閉渦旋破碎模型（ Eddy Break-Up）基于唯象的假設(shè)經(jīng)典PDF模型

7、假定PDF分布,截尾正態(tài)分布 預(yù)混湍流燃燒模型 模型 擴(kuò)散湍流燃燒模型k- -g模型缺陷：不能考慮詳細(xì)化學(xué)反應(yīng) 不能識別反應(yīng)系統(tǒng)kfg0iiutxi jijijju uuftxxj iititiiiiijueqeuutxxx FkkikkikiiYY uY Vtxxi ji ji jp jii jjiuuxxk T qiifFkkkiiYC VDx 基于基元反應(yīng)的湍流燃燒數(shù)值方法雙尺度計算時采用兩套網(wǎng)格: 1.大尺度(supergrid)主網(wǎng)格,用 LES求解 N-S方程(白色) 2.小尺度(subgrid) 亞網(wǎng)格, 直接模擬(LEM)求解基于Arrhenius定律的組元守恒方程(黃色)主網(wǎng)

8、格中的LES Decomposition of flow field Supergrid scale component Solved directly Subgrid scale component modeled Low-pass filtering ( , )() ( , )iiiiif x tG xxf x t dx1/0ixVGotherwiseBox filterffFaver spatial filtering0iiutx()0sgsiijijijijjuuuptx ()0sgssgsttjjiijjjjeep uquHtxLES Equation sgsijijijuuu u

9、sgsiititiiHeueupupu sgsjijiiijuuUnclosed subgrid termsSubgrid stress tensorSubgrid heat fluxUnsolved viscous workSubgrid ClosuresgsiPrsgssgstithHt 22sgsijijCSSS SNeglected1. Smagorinsk eddy viscosity model12()2jsgssgsiijtijijjiuuSSxx 1/2221()(2sgssgssgstkkC kkuu 2.Dynamic eddy viscosity model3.Subgr

10、id kinetic energy model4.Dynamic subgrid kinetic energy modelsgskEquation亞網(wǎng)格中的直接模擬()kkikkiiiYY uYDtxxxexp()kmmakkkEAYRTiiuuu,()kkikk stirkiiiYY uYFDtxxx,ikk stiriuYFx The concentration isopleths and concentration profile Schematic illustration of the effect of a eddy on a two dimensional scale field with a initially uniform concentration gradient Turbulent combustionBlock inversion modelBlock center yInterval of inversion lEvent frequency l