湍流非预混火焰结构的多维条件矩封闭数值模拟--《中国科学技术大学》2011年硕士论文
湍流非预混火焰结构的多维条件矩封闭数值模拟
【摘要】：基于多维条件矩封闭方法,本文构筑建立了用于数值模拟火灾中常见的湍流非预混火焰的数值平台。该程序能够在考虑详细化学反应动力学机理下,获得对多维火焰结构的详细数值描述。在该数值平台下,本文对湍流非预混射流火焰进行了数值研究,其中有包括对局部熄火、不同的扩散效应、抬举火焰的驻定机理以及含磷灭火剂对火焰结构的抑制效果等问题的不同程度的讨论。对这些湍流燃烧现象的数值研究显示条件矩封闭作为独立新颖的湍流燃烧模型能够很好地反映复杂湍流‐化学间的耦合作用。
条件矩封闭和层流小火焰面模型都是属于基于守恒标量一类的湍流燃烧模型,条件矩封闭模型的建立往往需要伴随着对层流小火焰面模型的理解。根据对这两种模型的理论对比分析,以及抛物型条件矩封闭和Lagrangian小火焰面模型在建模上的相似,在具有不同Reynolds数大小及湍流‐化学相互作用特性的标准湍流射流扩散火焰中(H_2/N_2, CH_4/H_2/N_2)对这两种模型进行了数值比较分析。考虑到在该类具有抛物型流场特性的射流火焰中,辐射热损失对远场火焰结构的重要影响,两种模型中对条件速度的不同封闭方法造成了对火焰结构的不同预测结果。
抬举湍流射流火焰具有更为复杂的热动力学特性,自动点火被认为是其主要的火焰驻定机理。在利用椭圆型条件矩封闭对其进行数值研究中,通过对温度和微量组分(OH, H, O,HO_2)在当量混合分数等值线和r/D=1.04截面上的轴向分布的分析,尤其是HO_2的分布特点,表明自动点火对该火焰驻定的重要性,而对该火焰抬举高度附近条件温度控制方程中各物理化学贡献项的分析也进一步证明了自动点火在该火焰驻定区域中的存在。另外结果也表明该火焰结构对不同的化学动力学机理较为敏感,其中Mueller机理相比GRI2.11机理获得了更为合理的计算结果。
作为哈龙灭火剂(CF_3Br)有效的替代品之一,含磷化合物(organophosphorus compounds, OPCs)由于能够有效的降低火焰燃烧速度和温度,而被寄予了很高的希望。利用条件矩封闭模型对含磷灭火剂磷酸三甲酯(TMP)在湍流H_2/N_2非预混火焰中的抑制作用的数值研究不仅证明了催化循环HOPO PO_2在火焰抑制中的重要性,同时还表明抑制剂的不同添加方式对抑制效果具有明显的影响。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学技术大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TK16【目录】：
ABSTRACT5-9
第1章 绪论9-15
1.1 前言9-11
1.2 湍流燃烧模型11-14
1.2.1 概率密度函数方法11-12
1.2.2 层流小火焰面模型12-13
1.2.3 条件矩封闭13-14
1.3 本文工作及章节概要14-15
第2章 条件矩封闭模型15-31
2.1 计算燃烧中基本控制方程15-16
2.2 一阶条件矩封闭16-22
2.2.1 混合分数16-18
2.2.2 椭圆型条件矩封闭18-21
2.2.3 抛物型条件矩封闭21-22
2.3 CMC 控制方程的封闭22-28
2.3.1 概率密度函数22-24
2.3.2 条件速度24-25
2.3.3 条件标量耗散率25-28
2.4 CMC 控制方程的求解28-31
2.4.1 数值求解方法28-29
2.4.2 边界条件29-31
第3章 条件矩封闭和层流小火焰面模型的数值比较31-47
3.1 层流小火焰面模型31-36
3.1.1 稳态层流小火焰面模型31-34
3.1.2 Lagrangian 小火焰面模型34-35
3.1.3 层流小火焰面模型的数值求解35-36
3.2 两种湍流燃烧模型的数值比较36-47
3.2.1 理论对比分析36-37
3.2.2 标准湍流射流扩散火焰37-38
3.2.3 辐射模型38-39
3.2.4 数值方法39
3.2.5 计算结果及讨论39-47
第4章 基于椭圆型条件矩封闭的湍流抬举射流火焰的数值模拟47-57
4.1 研究背景47-48
4.2 Cabra 抬举 H_2/N_2 火焰48-49
4.3 数值方法49-50
4.4 计算结果分析与讨论50-57
第5章 含磷灭火剂在 H_2/N_2湍流非预混火焰中的抑制效果的数值研究57-65
5.1 研究背景57-58
5.2 数值方法58-59
5.3 计算结果分析与讨论59-65
第6章 论文总结及展望65-67
6.1 全文工作总结65-66
6.2 工作展望66-67
参考文献67-75
附录 H_2/0_2及 C_1化学反应机理75-77
攻读学位期间发表的学术论文78
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