湍流燃烧模型.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/5/6,#,第五,章 湍流,燃烧,模型,预备知识,：湍流火焰传播,一、湍流火焰的特点,火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。,湍流火焰：,火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。,层流火焰：,一、湍流火焰的特点,湍流火焰传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物理化学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度增大，将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。,燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃烧设备的经济性好。,湍流火焰伴随着噪音,湍流火焰的燃烧产物内氧化氮（,NO,）含量少，因而对环境的污染小,一、湍流火焰的特点,湍流火焰比层流火焰传播快的原因：,（,1,）湍流流动使火焰变形，因而增大了反应,区，,火焰表面积增加,；,（,2,）湍流,加速了热量和活性中心的传输,，使反应速率增加，即燃烧速率增加；,（,3,）湍流加快了新鲜混气和燃气之间的混合，,缩短了混合时间,，提高了燃烧速度。,2,、相关概念：,紊流燃烧前沿面：,把焰面视为一未燃气与已燃气之间的宏观整体分界面,紊流燃烧前沿传播速度：,指紊流燃烧前沿法向相对于新鲜可燃气运动的速度,一、湍流火焰的特点,湍流特性参数：,流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。,在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，或湍流微团在消失前所经过的平均距离,湍流尺度,l,：,湍流强度,：,若,l u,l,（层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流,二、湍流火焰传播速度,三种湍流火焰模型：,小尺度强湍流,大尺度弱湍流,大尺度强湍流,一、湍流火焰的特点,湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。湍流火焰传播理论主要有两种：,（,1,）皱折表面理论（邓克尔和谢尔金）,（,2,）容积,燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）,小尺度强湍流：,湍流锋面不发生皱折，但由于湍流增加了传质而使湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度快。,湍流导温系数,:,可推得湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等于两者传输率之比的平方根，,而分子导温系数与分子运动粘性成正比，所以,小尺度强湍流：,小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅与可燃混气的物理化学性质有关（即与,u,l,成正比），还与流动特性有关（即与,Re,1/2,有关）,第二节 湍流火焰传播,二、湍流火焰传播速度,大尺度弱湍流：,由于湍流脉动，火焰发生皱折，但由于脉动速度小于正常火焰传播速度，锋面仍然是连续的,可以把湍流焰锋看成由很多小的层流火焰锥组成，则：,大尺度弱湍流：,如果湍流微团在锥形表面上的燃烧速度仍然是 ，则：,锥体高度,:,微团存在的时间,:,由于大尺度湍流火焰锋的表面积比层流火焰锋的表面积大，所以大尺度湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度大。这就是湍流火焰的表面传播的表面理论。,大尺度强湍流：,湍流强度很大时：,湍流火焰传播速度与化学动力学因素无关，只取决于脉动速度的大小。,5-1,引言,通常,燃烧现象包含了,流体流动、传热、传质和化学反应,以及它们,之间的相互作用，燃烧过程是一种,综合的物理化学,过程,这个,过程的数学描述就是第二章介绍的包括连续性方程、,动量方程,、能量方程和组分方程的基本方程组,。,几乎,所有实际装置中的燃烧现象都是,湍流燃烧现象,。,人们主要,感兴趣的是,平均量的分布和平均热流,。,通过,对基本方程进行,雷诺,分解和平均,而得到的平均量控制方程组是不封闭的，不,封闭性来源于,非线性项的分解和平均,。,上一,章在,一定程度上解决了湍流输运的,模拟问题,本章主要介绍,如何处理平均化学反应率,。,由于,平均化学反应率同时受到,湍流混合、分子输运和化学动力学,三个方面的影响，目前尚未见到普遍适用的,湍流燃烧速率,，即湍流燃烧过程中的平均化学反应速率的模型公式,。,因此,，本章将分别就扩散燃烧和预混燃烧，介绍常用的模型，最后介绍斯波尔丁在,1976,年提出，目前仍在发展中的,ESCIMO,湍流燃烧理论,。,5-1-1,简单化学反应,系统,湍流,燃烧化学反应是个十分复杂的分过程,，,例如,固体燃料,的燃烧,常常是固体的表面燃烧和气体挥发物的容积燃烧共存，,常用烃,燃料的燃烧往往是多种烃混合物的燃烧，即使是纯燃料,(,如氢、一氧化碳或者甲烷,),，其燃烧反应也是包含几种至几十种的,中间产物,，几个至几百个中间,反应的,复杂反应,。,由于,计算机条件和,燃烧,模型的限制，若考虑如此复杂的链反应过程，要解出,各种,中间产物,和最终产物在空间各点的分布,，是相当困难的,。,目前,解决,较好的,只是二维抛物型的燃烧问题,。,在对燃烧热能动力装置的分析中，重点需要考虑的问题,往往是,燃烧的热效应,(,如效率、温度和热流分布等等,),，而且,化学反应对,流动过程的影响也主要是由它的,热效应,引起的,。,针对,这个特点,，斯波尔丁,等人归纳出了可以绕过化学反应详细机理，而又基本,满足,实际需要的“,简单化学反应系统,”的模型，它的要点有三,:,(1),化学反应可以用单步不可逆反应来表征,氧化物,和产物,之间质量的变化满足,:,式,中,s,是完全燃烧,1,公斤燃料在理论上所需氧化剂的重量,，显然,它与燃料和氧化剂的种类有关，,而与,化学反应及流动的状态无关。,（,3,）,各,组分的比热彼此相等，与温度无关,。,有,两点值得说明，一是各组分的交换系数和比热随空间,位置而,变化是允许的，二是上述第三点中的与温度无关的假设仅是,为了,计算方便，是非本质性的,。,若,认为比热是温度的函数，则求,温度分布,时需增加一个迭代的程序。,5-1-2,混合分数,根据,简单化学反应系统的假设，构成系统的组分主要是,燃料,、氧化剂,和产物,(,或者还有基本不参加化学反应的物质,),。,如果知道了,这三种组分中的任意二种组分的质量分数,，第三,种组分的,浓度、,就可以利用所有组分质量分数之和,等于,1,求,出,。,一般地说，组分分布是靠求解相应的组分方程得到的，即需要求解两个以平均化学反应率为源项,和耦合的,二阶非线性偏微分方程,。,解决问题的,方法能否进一步简化呢,?,回答,是肯定的，但这个简化仅在,简单,化学反应系统,的假设适用的范围内成立。,s,为氧燃比，氧化剂质量与燃料质量之比,当量,比：,s(,理论,)/s(,实际,),这是一个无源方程，解无源方程比解有源方程要方便得多。,对于一般的燃烧过程，为确定组分质量分数的,分布，,只要求解,一个,有源方程,(,例如,m,fu,方程,),和一个无源方程就够了,。,又,因为混合,分数,的方程对其瞬时值也同样成立，所以对可以认为,燃料和,氧化剂的,瞬时值在空间不共存,的扩散火焰来说，只要设法知道了混合,分数,的瞬时值,f,，就可以知道各组分质量分数的瞬时值了。,5-1-3,守恒量之间的,线性关系,通常,把,满足于无源守恒方程的量称为守恒量,，,显然,f,是,一个,守恒,量,。,化学元素,的质量,分数,m,a,、,不参与化学反应的物质,(,例如,不考虑,氮的氧化反应体系中的氮气,),的质量分数是守恒量，在,一定条件下,滞,止焓,也,是个守恒量,。,在一定的条件下，守恒量之间存在着特别简单的定量关系，利用这定量关系，在知道了一个守恒量的空间分布之后，就可以根据边界值，十分方便地确定其它守恒量的空间分布。,“简单化学反应系统”和“快速反应”,(Fast Reaction),“快速反应”,指,的是,化学反应,速率大大超过混合速率的一类反应,，即燃料和,氧化剂混合,，它们之间的反应即刻完成，所以它们不可能在同一,时刻共存,于空间任意一个点,。,从,化学动力学的观点来看,，快速反应，意味着,化学反应速率无穷大，而从化学热力学的角度看，则是,处处,达到热力学平衡态,。,与“快速反应”相对应的是,“有限速率反应”,“有限速率反应”，意味着,化学反应以有限速率进行，其速率在层流状态,下取决于,其热力学状态、化学动力学参数和分子输运能力,，在,湍流情况,下还受到流动状态的影响,。,由此可见,，简单化学反应系统,和快速,反应是完全不同的两个范畴,。,简单化学反应系统中可以有快速反应和有限速率反应,;,复杂,化学反应系统中同样可以有快速反应和有限速率反应两种处理方法,。,反之亦然,，快速反应模型在一定条件下不仅适用于简单化学反应系统，而且也适用于复杂的化学反应系统。,本章下面讨论的各种模型和理论都是针对简单化学反应,系统,(,除非加以特殊说明,),的，它不适用于对复杂化学反应系统中某,一基元反应,的分析,。,处理,湍流扩散火焰,，可以,用快速,反应,假设，例如所谓的,k-,-g,模型,;,处理,预混火焰,，问题归结,为,模化,组分方程中的源项，即,湍流燃烧速率,。,ESCIMO,理论,采用,的是完全不同的另一种思路和方法,，,能,同时考虑湍流、分子输运和化学动力学三个方面对燃烧过程的影响,，不必,事先区分是扩散火焰还是预混火焰,，,可,以求出湍流燃烧速率，也可以绕过求湍流燃烧速率，直接用统计平均的方法解出燃烧场各变量,(,温度、浓度等,),的均值和脉动均方值的分布，它还有能力处理复杂化学反应,等问题。,5-2,湍流扩散火焰的,k-,-g,模型,扩散,火焰,：把,燃料和氧化剂分开而不是混合后进入燃烧区,的火焰。,特点,是,化学反应速度大大超过燃料和,氧化剂之间,混合的速度,。快速反应模型给出了对层流扩散火焰的满意的,解析,和数值分析的结果，那么该模型是否可用于处理湍流扩散,火焰呢,?,实验发现，湍流扩散火焰与层流扩散火焰有很大不同，以射流火焰,为例，,主要是,:,湍流扩散,火焰的长度几乎不随射流出口速度而变化，在火焰区内的取样分析表明燃料和氧化物共存,;,火焰面急剧脉动,;,火焰噪音大。,实验给人们的,启示,是,:,湍流,脉动一定对火焰有着重要影响。,湍流的脉动作用有可能把快速反应假设与实验发现的燃料和,氧化物,共存这两个似乎矛盾的东西统一起来,:,快速反应假设是对,燃料和,氧化物浓度的瞬时值而言,;,而取样分析得到的却是它们的,平均值。,瞬时值,不共存，而平均值共存,。,因为可能在空间的同一个点,，燃料,和氧化剂出现在不同的瞬间，这里起关键作用的是湍流脉动。,因此，不可能,在不考虑脉动的情况下去分析湍流扩散火焰,。,基于这种,思想，斯波尔丁在,1971,年提出了计算湍流扩散火焰的,k-,-g,模型,，后来演变成,k-,-g,模型。,它的要点如下,:,几率密度函数,的概念在这里用于描述流场中的量,。,它,认为,，由于,强烈的脉动作用，湍流场中的量可看成是随机量，对这种,量的,描述不是要寻找它在空间任一点的瞬时值随时间变化的严格,规律,，而是给出它取某个值的可能性,。,几率,密度函数,P(f,),的概念,正是,这样引入的。我们定义，,P,(f)df,示变量,f,的,值处于,f,和,(f+df),之间的几率，,也可以理解为它表示,f,的值,处于,f,和,(f+df),之间的时间,分数,。,P(f),称为,变量,f,的几率密度函数,(PDF),，一般情况,下,P(f),是,空间位置的函数，也随,变量,f,的,种类而变化,。,这里,f,可以是某个,变量的值，也可以是它的梯度等等,。,在,本节的讨论中,，,f,表示归一化,的混合分数。,本,节的计算方法突出了湍流混合过程在湍流燃烧中的,控制作用,，这是对的,。,但,它完全忽略了燃料和氧化剂分子的相互,扩散作用,，这与实际是有差距的，因为没有燃料和氧化剂两种,分子的,相互扩散和接触，就完全不会有化学反应。,湍流燃烧唯象,模型,漩涡,破碎模型,(EBU),拉切滑模型,几率密度函数的输运方程模型,漩涡破碎模型,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，认为平均化学反应速率决定于未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。,拉切滑模型,把,湍流燃烧区考虑成充满未燃气团和已燃气团；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未燃部分传播,。,