《湍流燃燒模擬》課件

湍流燃燒模擬湍流燃燒模擬是研究燃燒過程的重要工具。它能幫助我們理解燃燒過程中的物理和化學現(xiàn)象，并優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設計。課程背景能源需求隨著全球能源需求的持續(xù)增長，燃燒技術(shù)在電力、交通和工業(yè)等領域扮演著至關(guān)重要的角色。燃燒效率燃燒效率的提高不僅能降低成本，還能減少有害排放，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。燃燒穩(wěn)定性確保燃燒過程穩(wěn)定可靠，防止爆燃或熄火現(xiàn)象，是燃燒技術(shù)的核心問題。課程目標理解湍流燃燒基本原理掌握湍流燃燒模擬方法和常用模型了解湍流燃燒數(shù)值模擬的基本步驟掌握湍流燃燒模擬軟件操作提高學生解決實際工程問題的分析能力培養(yǎng)學生科學研究的創(chuàng)新能力湍流簡介湍流是流體運動的一種復雜形態(tài)。流體內(nèi)部存在著不規(guī)則的、無序的、混沌的運動，并伴隨大量的渦旋。湍流廣泛存在于自然界和工程應用中，例如河流、大氣、海洋、燃燒、飛機飛行等。湍流特性隨機性湍流運動無規(guī)律可循，無法用確定性方程描述。擴散性湍流能夠加速物質(zhì)和能量的輸運。渦旋性湍流中存在著各種尺度的渦旋，不斷相互作用。湍流模型分類雷諾平均方程模型(RANS)RANS模型假設湍流量的統(tǒng)計平均值是時間不變的，可以用于模擬穩(wěn)定或準穩(wěn)態(tài)流動。大渦模擬(LES)LES模型直接模擬大尺度渦，使用模型模擬小尺度渦，可以捕獲湍流的更多細節(jié)。直接數(shù)值模擬(DNS)DNS模型直接求解Navier-Stokes方程，可以精確地模擬湍流，但計算量非常大。N-S方程組N-S方程組描述了流體運動的控制方程。它包含了質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程。該方程組是描述流體運動的基礎方程。它廣泛應用于各種流體力學問題，包括湍流燃燒模擬。湍流模型簡介11.簡化湍流湍流模型是對復雜湍流運動進行簡化的數(shù)學描述，將平均效應納入考慮。22.預測湍流特性模型用于預測湍流流動中速度、壓力、溫度等參數(shù)的變化。33.計算效率相較于直接數(shù)值模擬(DNS)，湍流模型能夠在有限的計算資源下得到近似解。44.廣泛應用在工程領域，湍流模型被廣泛應用于燃燒模擬、氣流分析、熱傳遞等問題。K-ε模型模型概述K-ε模型是一種半經(jīng)驗模型，用于模擬湍流流動。模型使用兩個輸運方程分別描述湍動能k和湍流耗散率ε。模型優(yōu)點計算效率高，適用范圍廣，常用于工程應用。模型相對簡單，易于實現(xiàn)，可用于各種湍流流動。模型局限性精度受限，無法準確描述復雜的湍流現(xiàn)象。模型對邊界條件敏感，需要根據(jù)具體問題進行校正。K-ω模型模型優(yōu)勢K-ω模型對于邊界層流動和分離流動有很好的預測能力，在近壁面區(qū)域具有更高的精度。模型應用K-ω模型常用于航空航天、渦輪機和燃燒模擬等領域，特別適用于分析和預測湍流邊界層流動現(xiàn)象。模型局限K-ω模型在自由流區(qū)域精度相對較低，對于大尺度湍流的預測效果可能不如其他模型。SST模型結(jié)合K-ε和K-ωSST模型結(jié)合了K-ε和K-ω模型的優(yōu)點，在近壁區(qū)使用K-ω模型，在遠離壁面區(qū)域使用K-ε模型。壁面邊界層精度該模型能更好地處理壁面邊界層流動，預測精度更高，適用于各種湍流流動。廣泛應用SST模型在航空航天、汽車、能源等領域得到廣泛應用，是目前應用最為廣泛的湍流模型之一。LES方法直接數(shù)值模擬該方法直接求解流體運動的控制方程，無需模型簡化，精度高，但計算量巨大，僅適用于簡單問題。大渦模擬直接模擬較大尺度的湍流渦，使用模型模擬較小尺度的渦，計算量比DNS小，但精度不如DNS。DNS方法11.高精度直接數(shù)值模擬(DNS)能夠?qū)ν牧魅紵兴谐叨鹊牧鲃雍突瘜W反應過程進行精確模擬。22.計算成本高由于需要解析所有尺度，DNS的計算量非常大，通常需要高性能超級計算機才能完成。33.復雜性高DNS方法的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理非常復雜，需要專業(yè)人員進行操作。湍流燃燒基本理論火焰?zhèn)鞑セ鹧嬖谕牧髦械膫鞑ナ芡牧鞯挠绊?，火焰結(jié)構(gòu)和燃燒速度會發(fā)生改變。混合控制湍流增強了燃料和氧化劑的混合，影響燃燒速率和火焰穩(wěn)定性。化學反應湍流燃燒中，化學反應速率受湍流的影響，需要考慮湍流對反應的擴散和混合的影響。湍流燃燒模型分類化學反應速率模型考慮反應速率對湍流燃燒的影響，如基于有限速率化學反應的模型?；鹧婷婺Ｐ图僭O火焰面以特定速度傳播，并用湍流擴散系數(shù)來模擬火焰面的運動。概率密度函數(shù)模型使用概率密度函數(shù)描述湍流燃燒中不同反應物和產(chǎn)物的分布，并通過求解相應的輸運方程來模擬湍流燃燒過程?；旌隙赡Ｐ突旌隙苫旌隙赡Ｐ图僭O火焰面上的湍流混合控制著燃燒速率?；瘜W反應該模型考慮了化學反應速率的影響，但通常簡化為單步反應?；鹧婷嬖撃Ｐ蛯⒒鹧婷嬉暈橐粋€薄層，燃燒在此處發(fā)生。擴散火焰模型11.混合控制擴散火焰的燃燒速度由燃料和氧化劑之間的混合速率控制，而不是化學反應速率。22.燃料和氧化劑分離燃料和氧化劑在擴散火焰中是分離的，并在火焰區(qū)域相互擴散混合。33.燃燒區(qū)域燃燒區(qū)域是燃料和氧化劑混合并發(fā)生化學反應的地方，通常是一個薄薄的區(qū)域。44.應用廣泛擴散火焰模型廣泛應用于燃燒設備，例如燃氣輪機、鍋爐和內(nèi)燃機等。預混火焰模型火焰?zhèn)鞑ニ俣阮A混火焰模型主要用于計算火焰?zhèn)鞑ニ俣?，該速度受燃料濃度、溫度和壓力等因素的影響。層流火焰預混火焰模型可以模擬層流火焰的傳播，這是一種理想狀態(tài)，忽略了湍流的影響。部分預混模型混合氣體部分預混燃燒是指燃料和氧化劑部分混合形成混合氣體?；鹧?zhèn)鞑セ鹧嬖诨旌蠚怏w中傳播，形成復雜的燃燒現(xiàn)象。應用場景部分預混模型應用于內(nèi)燃機、燃氣輪機等領域?；瘜W反應動力學反應速率化學反應速率是指反應物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的速度，與溫度、濃度、催化劑等因素有關(guān)?；罨芑罨苁侵阜磻锓肿影l(fā)生有效碰撞并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的最低能量。反應機理反應機理是指化學反應發(fā)生的步驟和中間產(chǎn)物，解釋反應的步驟、反應速率和產(chǎn)物。Arrhenius方程Arrhenius方程描述了反應速率常數(shù)與溫度和活化能之間的關(guān)系。碰撞分子理論分子碰撞化學反應需要分子之間的碰撞。碰撞的頻率和能量決定了反應速率。有效碰撞只有當分子碰撞時，它們具有足夠的能量和正確的方向，才可能發(fā)生化學反應。激活能量1化學反應閾值激活能是化學反應發(fā)生的最低能量，指反應物分子從基態(tài)躍遷到過渡態(tài)所需的最低能量。2克服勢壘化學反應需要克服反應物分子之間的相互排斥力，即活化能，才能形成新的化學鍵。3溫度影響溫度升高時，分子平均動能增加，更容易克服活化能，反應速率加快。4催化劑作用催化劑能降低活化能，加速化學反應，因為催化劑能提供一條能量更低的反應路徑。Arrhenius方程化學反應速率常數(shù)Arrhenius方程描述了溫度對化學反應速率的影響，通過速率常數(shù)來體現(xiàn)?；罨芑罨苁侵阜磻锓肿訌姆磻獱顟B(tài)轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)所需的最小能量，決定了反應的難易程度。實驗驗證實驗結(jié)果表明，許多化學反應的速率常數(shù)可以用Arrhenius方程準確描述，體現(xiàn)了該方程的廣泛應用。湍流燃燒數(shù)值模擬1網(wǎng)格生成精確捕捉火焰結(jié)構(gòu)。2求解算法數(shù)值方法求解方程。3邊界條件模擬實際燃燒環(huán)境。4物理模型湍流、燃燒、輻射。湍流燃燒數(shù)值模擬需要構(gòu)建精確的物理模型。數(shù)值方法求解控制方程。燃料噴霧模型11.噴霧破碎噴霧破碎模型描述液滴破碎成更小的液滴的過程。22.噴霧蒸發(fā)噴霧蒸發(fā)模型模擬液滴在高溫氣流中蒸發(fā)成氣態(tài)燃料的過程。33.噴霧混合噴霧混合模型考慮了氣態(tài)燃料與周圍空氣的混合過程。44.噴霧湍流噴霧湍流模型描述噴霧與湍流氣流相互作用的復雜過程?；鹧?zhèn)鞑ツＰ蛯恿骰鹧婺Ｐ兔枋龌鹧嬖陟o止或緩慢流動的介質(zhì)中的傳播過程。適用于低速燃燒情況。湍流火焰模型考慮了湍流對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽＿m用于高速、高湍流強度燃燒。火焰面模型將火焰簡化為一個薄的界面。適用于簡化燃燒模擬。PDF模型采用概率密度函數(shù)描述火焰結(jié)構(gòu)。適用于復雜燃燒現(xiàn)象的模擬。輻射模型輻射模型模擬熱量通過電磁波的形式傳遞。燃燒過程中會產(chǎn)生熱輻射，影響火焰溫度和燃燒過程。輻射模型考慮不同物質(zhì)的輻射特性和光線傳播路徑。數(shù)值方法有限體積法有限體積法是基于網(wǎng)格的數(shù)值方法，將計算域劃分為有限個控制體積，對每個控制體積進行積分并求解方程。有限差分法有限差分法利用差分方程來近似偏微分方程，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，然后求解。有限元法有限元法將計算域離散成有限個單元，并使用插值函數(shù)來近似未知量，最終得到一個線性代數(shù)方程組，進行求解。模型驗證與應用實驗驗證通過與實驗數(shù)據(jù)進行比較，驗證模型的準確性和可靠性。實驗數(shù)據(jù)可以來自實驗室燃燒試驗或?qū)嶋H發(fā)動機測試。工程應用湍流燃