（应用化学专业论文）圆筒型管式炉辐射室热态传热试验及数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 本研究根据圆筒型管式加热炉自身的特点和结构，结合四角切圆和旋流的 燃烧方式，提出一种在螺旋向上的，旋流中央增加锥形的辐射墙来强化辐射传 热的燃烧方式。通过搭建小型的圆筒型管式炉的小试装置进行了单直喷，四小 直喷，旋喷的热态传热对比试验，在无换热介质的传热实验中，发现无论是大 石油液化气流量还是小石油液化气流量，旋流燃烧的效果明显好于其它燃烧方 式。在以水为换热介质的有载荷传热实验中，旋流燃烧方案仍然好于其它方案， 水管的出水温度更高，排烟温度更低。 通过对单直喷，四小直喷以及旋喷三种流动方式的冷态数值模拟，得到了 三种不同流动方式的速度场，发现旋流喷射器的4 个燃烧器以4 5 。倾斜向上的 布置，形成了旋转的涡旋，增强了燃料助燃空气的混合，同时稳定了气流，增 加燃料和助燃气在炉膛内的停留时间。旋流燃烧器中辐射锥的设置起到了导流 的作用，使得流体由中心向周围扩展，锥形的设计使得流体扩展的直径逐渐变 大，同样起到增加流体在炉膛内停留时间的作用。 通过对四小直喷和旋喷两种燃烧方式的热态三维数值模拟，发现试验测得 炉膛内的不同位置设置测温点测得的温度垂直分布曲线与数值模拟得到的相同 位置的温度分布曲线，曲线变化的趋势接近，出口烟气的温度值误差较小。通 过对比两种不同燃烧方式的数值模拟结果，发现旋喷燃烧的温度场分布比短焰 直喷的直流燃烧方式均匀，炉膛底部辐射锥的导流作用明显，火焰既没有舔到 炉管，又使得高温烟气更接近四周的炉管，直接强化了炉膛中下部的传热。而 旋流燃烧由于旋流产生的涡旋作用，不仅增加了燃料和助燃空气在炉膛中下部 的停留时间，并且增加了高温烟气在炉膛内的停留时间，降低了排烟温度。 关键词：管式炉，数值模拟，旋流燃烧，试验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t an e ww a yo fs w i r l i n gc o m b u s t i o nw a sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r ar a d i a n t t a p e r e dw a l lw i l l sp l a c e di nt h ec e n t e ro f t h es w i r li no r d e l t oe n h a n c et h eh e a tt r a n s f e r ac o m p a r ee x p e r i m e n tw a sm a d eb e t w e e nt r a d i t i o n a lc o m b u s t i o nm e t h o da n d t h es w i r lc o m b u s t i o nm e t h o d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es w i r lp l a y e dam o r e e f f e c t i v ep a r ti nc o m b u s t i o n 1 1 l eh e a tt r a n s f e rw a si m p r o v e di nt h em i d d l ea n da tt h e b o t t o mo ff u r n a c ea n dt h et e m p e r a t u r eo fo u t e rs m o k ed r o p s t h es a m er e s u l tw a s a s og o t u s i n gw a t e r a st h eh e a tt r a n s f e rf u i d t 1 l i sp a p e ra l s op r e s e n t e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft r a d i t i o n a la n di l e w s w i r l i n g f l u i df l o w n ev e l o c i t yf i e l ds h o w e dt h a tm i x i n gh o m o g e n e i t yw e r e i m p r o v e d , r e t e n t i o nt i m eo ft h ef u e la n da i rw e r ee x t e n d e db yt h es w i r l ，m f l o w - g u i d ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et a p e r e dw a l ls h o w e di t ss u p e r i o r i t y t h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h ef o u rd i r e c tb o t t o m u p c o m b u s t i o na n ds w i r l i n gc o m b u s t i o nm e t h o dw e r em a d ef o rt h er a d i a n ts e e t i o no f f u m a 髓，t h er e s u l t s 丽t l it h em o d e l sw e r ei nw e l la g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e m e n t s o ft e m p e r a t u r ef r o mt o pt od o w n 1 1 嵋d i f f e r e n tm e t h o d sw e r ec o m p a r a b l e i tw a s s h o w e dt h a tt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h es w i r l i n gm e t h o dw a sm u c hb e t t e r t h er a d i a n tm p e r e dw a l ln o to n l yk e e pp r o p e rd i s l a n c et ot h ep i p e ，b u ta l s og u i d et h e l l j g i lt e m p e r a t u r eg a sa r o u n dt h ep i p e ，s ot h eh e a tt r a n s f e ri nt h em i d d l ea n da tt h e b o t t o mo ft h ef u r n a c ew a sd i r e c t l yi m p r o v e d t b es w i r la l s oe x t e n dt h eh i 【g h t e m p e r a t u r es m o k e sr e t e n t i o nt i m ea tt h et o po ft h ef u r n a c e ，e n h a n c e dt h eh e a t t r a n s f e rw i t h o a tq u e s t i o n , a n dd r o p p e dt h et e m p e r a t u r eo f o u t e rs m o k e k e yw o r d s ：t o b d a rf u r n a c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s w i r lc o m b u s t i o n , e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：岛，。汪 良 姗g 年弓月土。日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 氇j 通、良 p 口8 年月土d 日 第1 章引言 第1 章引言 随着石油化学工业和煤化工的迅速发展，管式加热炉作为一个重要的加热 设备，越来越引起人们的重视。管式加热炉消耗着大量的能量，而且在很多化 工工艺过程中，它已经成为心脏设备，譬如：制造乙烯、氢气和合成氨工艺等， 管式加热炉的运作支配着整个工厂或装置的产品质量、收率、能耗和操作周期 等因素。【3 1 ，所以对管式加热炉进行研究有着很强的现实意义。 1 1 管式加热炉的特点 石油化工和煤化工常用的炉型按其外形分为圆筒型和方箱形两种，圆筒型 管式炉适用于热负荷小于3 0 m w 的场合。当热负荷大于3 0 m w 以上时则采用方 形管式炉 4 1 ，常用的化工管式加热炉具有一下特点： ( 1 ) 被加热物质在管内流动，这些介质通常都是烃类物质。 ( 2 ) 加热方式为直火式。 ( 3 ) 管式炉通常在高温条件下运行，操作条件苛刻。 ( 4 1 长期连续运转，不间断操作，操作周期一般在1 - 3 年。 1 2 影响管式加热炉性能以及热效率的因素 1 2 1 过剩空气系数 加热炉的过剩空气系数是衡量设计和操作的主要参数。过剩空气系数的大 小不仅影响到加热炉的热效率【5 j ，还影响着其它许多方面。 过剩空气系数过大的危害： ( 1 ) 降低加热炉热效率 加热炉是靠燃料燃烧供给热量的。在操作过程 中，加热炉内烟气含氧量增加，表明进入炉内的空气过多。在排烟中，大量的 过剩空气将热量带走排入大气，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量越多， 对热效率的影响就越大。 第l 章引言 ( 2 ) 火焰燃烧温度下降在加热炉内，燃料燃烧温度越高，火焰和高温烟 气传给辐射炉管的热量就越多，而且是与火焰和高温烟气的绝对温度成四次方 关系。辐射室燃烧温度的高低，会改变炉膛的温度场分布，影响加热炉内辐射 段和对流段传热的比例。炉子辐射室过剩空气系数增大后，降低了燃烧温度， 使辐射管热强度减小，吸热量下降，如果此时对流管不能弥补辐射管少吸收的 热量，则必须增加燃料用量才能保持加热炉的恒定热负荷，因此使加热炉热效 率下降。 ( 3 ) 使露点温度升高 在管式炉的设计和操作中，控制过剩空气量使得加 热炉尾部受热面的壁温保持在烟气的露点以上是防止腐蚀和堵塞的一个重要问 题。 1 2 2 燃烧器 一个加热炉设计和操作的好坏，燃烧器是其中的关键问题之一。燃烧器性 能以及管排之间的相对位置直接关系到炉子尺寸的大小，热效率的高低和操作 周期的长短。 管排和火焰的相互位置有着重要的关联，在辐射管为立管、火嘴底烧的加 热炉内，火焰高度最好为辐射管长度的2 3 左右，这样才能缩小炉管纵向热强度 的不均匀系数，提高辐射室的传热量。炉管离燃烧器的距离不能太近，以免导 致火焰舔管，引起局部过热。加热炉燃烧器的火焰形状是根据炉膛尺寸和排管 确定的，“多管短焰”是常用的一种提法。 1 2 3 散热损失 加热炉炉壁向大气的散热损失包括辐射散热和对流散热两部分。在外界无 风条件下，仍存在自然对流散热，其中向上的水平壁和向下的水平壁，以及垂 直炉墙的散热量都是不同的，由于加热炉炉墙内表面的温度是变化的，而且散 热量与外界温度和风速也有关系，所以准确计算炉墙的散热较困难，一般按供 给热量的1 5 3 来计算，在有较长烟气通道的余热回收系统中，加热炉整个系 统的总散热损失可能到达4 。 第1 章引言 1 2 4 低温露点腐蚀 一般燃料油和燃料气中均含有少量的硫，硫燃烧后全部生成s 0 2 进而和过 剩的氧气以及水蒸气生成硫酸烟气。烟气中的这种酸性组成和水蒸汽在遇到冷 面时就会开始冷凝，而且冷凝液中的酸性浓度较大，使烟气中的硫酸和水蒸汽 的浓度都有所降低，因此烟气的露点也有所下睁6 】。由于烟气在继续向前流动中 会遇到更低的冷面，烟气中的蒸汽还继续凝结，但凝结出的液体中酸性的浓度 逐渐降低，因此烟气中的酸性蒸汽和水蒸汽在冷的换热面上结露是在相当长的 范围内进行的烟气凝结液中的酸性的浓度对换热面腐蚀的速度影响最大。浓硫 酸对钢材的腐蚀速度很慢，而稀硫酸腐蚀速度最快。 1 3 管式加热炉的发展现状 管式加热炉是炼油和焦化厂消耗燃料的主要设备。炼油厂总能耗约占原油 处理量的1 0 ，其中加热炉能耗约占一半以上。提高加热炉热效率，对降低总 能耗具有重要的意义。 随着能源的大量消耗和短缺，在寻求和开发节约加热炉能源的各种方法和 途径也越来越多，涉及的因素也越来越广泛。 1 3 1 余热回收 回收烟气余热的途径是利用低温介质吸收烟气的热量，如加热工艺介质， 发生蒸汽或预热炉用燃烧空气。回收烟气余热可以大幅度地提高加热炉热效率， 对节能有显著效果。 加热炉对流室出口排烟温度，主要与被加热介质的温度有关系。排烟温度 除随介质入口温度的升高而升高外，还随烟气与介质之间的温差而变化。所以 提高加热炉热效率可以充分利用对流室。从降低被加热介质的温度和缩小烟气 与介质之间的温差两方面来进行丹【9 j 。 很多化工装置的原料般都是先经换热后再进入加热炉的，所以可采取少 换热，降低加热炉进料温度的手段提高加热炉的热效率，而将换热流程中多余 的热量用来预热燃烧空气。国内采用较多的“冷进料、热油预热空气”系统，就是 第1 章引言 结合全装置换热特点，进行综合考虑的一种节能方案。另外，也可将温度较高 的一部分进料先通过空气预热器，降温后再与原料混合进入加热炉对流室，这 种方案称为工艺分支物流系统，其流程如图1 1 1 1 0 1 所示，在一个装置内有几个加 热炉时，如果各加热炉的进料温度相差较多，可采用低温迸料经过两个加热炉 的对流室的措施来回收烟气余热，如图1 2 1 10 】所示。 图l i 工艺分支物流方案【州 图1 2 利用低温进料方案【1 0 l 4 第l 章引言 1 3 2 燃烧器的改进 燃烧器是工业锅炉的重要部件，燃烧器性能直接影响了工业锅炉的效率， 燃烧器是供应热量的设备，也是消耗能量的设备。燃烧器的设计、选用、制造 及操作的好坏直接关系到加热炉热效率的高低及运转用期的长短。如果脱离开 燃烧器去谈一个加热炉的好坏是不全面的，更是不现实的。一般来讲，燃燃器 可以影响锅炉热效率的5 - 1 0 ，所以很多科研工作者做了大量的工作来改善燃 烧器的性能，简述如下： 周志军【i l l 等利用文丘里管式混合器结构简单，没有突然的缩小或是放大， 所以对流体产生的阻力小，稳定性好，有平滑的压差特性，使用范围宽，一般 气体、烟气、含杂质较多的高炉煤气等，长期使用不发生堵塞现象的特点，开 发研究了文丘里浓淡煤粉燃烧器的分离特性和阻力特性，取得了较好效果。 东南大学的赵伶玲1 1 2 1 等提出一种新型的花瓣式旋流燃烧器，取得了较好的 效果，并通过三维的流场数值模拟分析了花瓣燃烧器的流场特点。 百叶窗也是燃烧器中较为常用的一种燃烧器，西安交大的刘泰生【l3 j 等通过冷 模化试验和数值模拟的方法，对百叶窗浓淡燃烧器叶片结构改进，取得了较为理 想的效果。 1 4 工业锅炉的流体流动 1 4 1 射流 在气相燃烧技术中，射流是最常见的流动，射流可以分为自由射流、受限 射流、矩形射流、平行射流、交叉射流很多种，其中自由射流是工业锅炉炉膛 最常用的燃烧器设计方式，所谓自由射流就是指气流射入一个相当大的空间， 气流不受固体边界的限制可在这个大空间扩散。该空间充满着物理性质一定的 介质，该介质可以是流动的，也可以是静止的。如图1 3 1 4 1 所示，气流沿x 轴的 正方向自喷嘴流出，初速度“o 在射流进入空间后，由于微团的不规则运动，特 别是微团的横向脉动速度引起和周围介质的动量交换，并带动周围介质流动， 使射流的质量增加、宽度变大，但射流的速度却逐渐衰减，并一直影响到射流 的中心轴线，我们可以发现射流有如下几个主要特性： 第l 章引言 ( 1 ) 转戾截面：在离喷嘴出口一定距离后，未经扰动而保持初速的区域消 失的横截面称为转戾截面，转戾截面距喷嘴出口的距离约为喷嘴直径的4 5 倍， 喷出射流的湍流强度越大，此距离越短。 ( 2 ) 开始区域和基本区域：喷嘴出i = 1 和转戾截面之间的区域称为开始区域， 而转戾截面以后的区域称为基本区域。 ( 3 ) 气湍核心：在开始区域中，气流具有初始速度“。的部分称为气湍核心。 ( 4 ) 边界层：位于气流核心外面。自由边界层中，在与流动垂直的方向上发 生动量交换与质量交换。 ( 5 ) 射流极点：射流外边界的交点称为射流极点。 删 9 5 ) 和丁烷( 将口代入动量离散方程，求出相应的速度”和v + 。 3 裉据动量插值公式，计算界面流速和。 4 计算压力修正方程的系数及源相。 5 求解压力修正值方程，得到节点上的压力修正值如 6 通过插值方式计算各界面上的压力修正值热，计算节点速度修正值坳和场。 7 计算修正后的速度u ，v 和压力p 8 检查结果是否收敛。若不收敛，重新回到第2 步，开始下一层次的迭代计算， 直接得出收敛解。 f 口 虬。 = p 口 第4 章数值模拟方法及分析 4 1 5 湍流模型 在实际燃烧装置中发生的燃烧过程基本上都是湍流燃烧过程，虽然湍流量 随时间和空间的变化十分迅速，是一种高度非线型的复杂流动，但人们已经能 够通过某些数值方法对湍流进行模拟，取得与实际比较吻合的结果。目前的湍 流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非数值模拟方法。所谓直接数值 模拟方法是指直接求解瞬时湍流控制方程。而非直接数值模拟方法就是不直接 计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。在此简 介如下： ( 1 ) 直接数值模拟( d n s ) 直接数值模拟法( d 妇dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 方法就是直接用瞬 时的 博方程对湍流进行计算。d n s 的最大好处是无需对湍流流动作任何简化 或近似，理论上可以得到相对精确的计算结果，但是，就是一个较小的流动区 域内，比如o 1x o 1 m 2 的区域内，在高雷诺数的湍流中包含尺度为l o p m 1 0 0 9 m 的涡，则计算的网格结点数将高达1 0 9 1 0 ”。同时，湍流的脉动的频率约为l o k h z ， 因此，必须将时间的离散步长取为1 0 0 z s 以下。对于这样的计算要求，现有的计 算机能力还是比较困难的。目前d n s 还无法用于真正意思上的工程计算。 ( 2 ) 大涡模拟( 雎功 为了模拟湍流流动，一方面要求计算区域的尺寸应大到足以包含湍流运动 中出现的最大涡，另一方面要求计算网格的尺度应小到足以分辨最小涡的运动。 然而，就目前的计算机能力来讲，能够采用的计算网格的最小尺度仍比最小涡 的尺度大很多。因此，目前放弃对全尺度范围上涡的运动的模拟，而只将比网 格尺度大的湍流运动通过n - s 方程直接计算出来，对于小尺度的涡对大尺度运 动的影响则通过建立模型来模拟，从而形成了目前的大涡模拟法( l a r g ee d d y s i m u l a t i o n ) 。 l e s 的基本思想可以概括为：用瞬时的n - s 方程直接模拟湍流中的大尺度 涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。 总而言之，l e s 方法对计算机内存及c p u 速度的要求仍比较高，但低于d n s 方法。目前，在工作站和高档p c 机上已经可以开展l e s 工作，f l u e n t 等商用 软件也提供了l e s 模块供用户选择。l e s 方法是目前c f d 研究和应用的热点之 第4 章数值模拟方法及分析 ( 3 ) r e y n o d s 平均法( m 固 多数观点认为，虽然瞬时的s 方程可以用于描述湍流，但n - s 方程的非 线性使得用解析的方法精确描写三维时间相关的全部细节极其困难，即使可以 真正得到这些细节，对于解决实际问题也没有太大的意义。这是因为，从工程 应用的观点上看，重要的是湍流所引起的平均流场的变化，是整体的效果。所 以，很自然地想到求解时均化的n - s 方程，而将瞬态的脉动量通过某种模型在 时均化的方程中体现出来，由此产生了r e y n o l d s 平均法。r e y n o l d s 平均法的核 心是不直接求解瞬时的n - s 方程，而是想办法求解时均化的r e y n o l d s 方程。这 样，不仅可以避免d n s 方法的计算量大的问题。而且对工程实际应用可以取得 很好的效果。r e y n o l d s 平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。 考察r e y n o l d s 方程，我们知道，方程中有关于湍流脉动值的r e y n o l d s 应力 项p “，这属于新的位置量。因此，要使方程组封闭，必须对r e y n o l d s 应力作 出某种假定，即建立应力的表达式，通过这些表达式或湍流模型，把湍流的脉 动值和对均值等联系起来，由于没有特定的物理定律可以用来建立湍流模型， 所以目前的湍流模型只能以大量的实验观测结果为基础。 根据对雷诺应力作出的假定和处理方式的不同，目前常用的湍流模型有两 大类：雷诺应力模型和涡粘模型。 ( 4 ) r e y n o l d s 应力模型 在r e y n o l d s 应力模拟方法中，直接构建表示r e y n o l d s 应力的方程，然后联 立求解方程4 3 4 ，4 ，3 5 ，4 3 6 以及新建立的r e y n o l d s 应力方程。通常情况下， r e y n o l d s 应力方程是微分形式的，称为r e y n o l d s 应力方程模型。若将r e y n o l d s 应力方程的微分形式简化为代数方程的形式，则称这种模型为代数应力方程模 型。 譬+ 昙( 伊) = 0 ( 4 3 1 ) 詈( 删j ) + 毒( 一) = 一考+ 毒詈一p 丽) 蝎 ( 。舵) 昙( 肿a - j ( p u 脚= + 毒( r 筹一p 丽+ s 在涡粘模型方法中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引入湍流粘度 第4 章数值模拟方法及分析 ( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) ，或称涡粘系数( e d d yv i s c o s i t y ) ，然后把湍流应力表示成湍动 粘度的函数，整个计算的关键在于确定这种湍动粘度。 湍动粘度的提出来源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定，该假定建立了r e y n o l d s 应力相对于平均速度梯度的关系，即： 一p 丽= 鸬( 等+ 等) 一号( 肚詈礴 ( 4 3 4 ) 这里，雎为湍流粘度，地为时均速度，磊是k r o n e c k e r 彘妇，k 为动能。 k ：华：丢( + 一v 2 + 而 ( 4 3 5 ) 湍流粘度是空间坐标的函数，取决于流动状态，而不是物性参数。 引入b o u s s i n e s q 假定以后，计算湍流流动的关键就在于如何确定湍流粘度。 所谓的涡粘模型，就是把湍流粘度与湍流时均参数联系起来的关系式。依据确 定湍流粘度的微分方程数目的多少，涡粘模型包括：零方程模型，一方程模型， 两方程模型。 其中两方程模型在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模型式标准k f 模型，比较著名的式r n g k e 模型和r e a l i z a b l e k 一占模型，是对t 一模型的修 正，使得双方程模型在预报浮力流，旋转流和有燃烧的流动中效果也不错。 湍流气相场的研究有两种方法，即欧拉方法和拉格朗日方法。欧拉方法是 把问题归结到空间某些定点在不动瞬间的脉动情况，但是在湍流工况下，真正 的运动是不稳定的。欧拉方法可以得到整个流场任何一个位置的运动情况。拉 格朗日方法则是跟踪某个湍流流团，研究其在不同时刻内运动轨迹和状态的变 化。但是拉格朗日法不能给出整个流场的情况。所以在整个流场作研究的时候 一半都采用欧拉方法。 在欧拉方法中标准七一双方程模型是工程最常用的湍流模型如下： p 要+ p 导( 砌，) ：【+ 争) 兰】+ g 。+ g 。一声一 ( 4 3 6 ) 讲 斑。0 x i 盯i o x 户拿+p丢(引=毒+等)考】+cz。妻(q+c。gb)一c2epot o x o x譬( 4 叨 i呶io ii xk 其中，g 代表由于速度梯度导致的湍动能产生项 第4 章数值模拟方法及分析 g k = 一p u ，“， ( 4 3 8 ) - 式中常熟取c l 。= 1 4 4 ，( = 1 9 2 ，c ：= 0 0 9 ，以= 1 3 标准七一占双方程多年以来已得到广泛的应用，大量的预报及其与不同实验 的对照表明，标准k s 双方程可以完全或基本上成功地用于无浮力平面射流， 平壁边界层，管流，通道或喷管内流动，无旋及弱旋地二维及三维回流流动， 但是在旋流的时候不太成功。 后来y a l ( 1 l o t 和o r s z 耐3 卅利用重整化群r q r p ”d m 讲妇“d 珂g m 刎的方法来 分析湍流的流动，利用他们推导的重整化粘性公式得出了一般剪切湍流流场的 七一占双方程，即r n g k 一双方程，其方程式如下： p 百d k = 毒( 等詈) 一班+ g ( 。3 9 ) p 瓦d e = 丢( 等詈) + q 妻q c 2 。p 譬一r ( 4 4 。) 其中c t 。= 1 4 2 ，c 五= 1 6 8 ，以= 以= o 7 1 7 9 ，g k 代表由于速度梯度导致的 湍流动能产生项，与标准的k 一双方程一致。r n g k 一双方程模型中的常数是 由理论推导得出的，而不像标准的模型k 一占，是以实验为基础，再经过修正得 到的。因此相比较标准的k 一双方程模型，r n g k 一占双方程模型更加能够反映 实际情况，它特别适用于分层流，环流等流动。 此次数值模拟单直喷以及四小直喷都采用标准女一占双方程模型，而旋流方 案则采用r n g k f 双方程模型来进行模拟。 4 1 6 燃烧模型 燃烧是一种伴随着剧烈放热化学反应的流动过程j 。它包括流体流动、传 热、传质和化学反应诸分过程以及它们之间的相互作用。燃烧过程遵守由连续 性方程、动量方程、能量方程和组分方程构成的化学流体力学基本方程组。而 以上对湍流的介绍我们可以知道这些方程组在数学上是可以封闭的。所以模拟 气相湍流燃烧的很重要的问题就是如何在气相湍流燃烧过程中处理平均化学反 应速率，介绍湍流燃烧模型。湍流燃烧速率同时受到湍流流动，分子输运和化 第4 章数值模拟方法及分析 学动力学三个方面的影响。湍流燃烧现象中的化学反应是个十分复杂的分过程， 即使对于最简单的纯质燃料，如氢、一氧化碳和甲烷等，其燃烧反应也是包含 着几种至几十种成分、几个乃至几百个基元反应的复杂反应过程1 3 5 1 。 3 6 1 。由于燃 烧模型、计算方法和计算机能力的限制，必须对实际的复杂反应过程进行简化， 才可能建立有实际意义的湍流燃烧模型。 ( 1 ) 蜗旋破碎模型( e b u 模型) 最简单的湍流反应模型是s p a l d i n g d 7 提出的蜗旋破碎模型( 矗b 弘跏口缸 m o d e o ，直接由物理上的设想出发，对湍流反应率所作的一种假设。如果规定 ，一| = 曰p le x p ( - - 舞)( 4 4 1 ) 为时均值按a r r h e n i u s 机理产生的反应率，为组分s 组分反应率，e 为火化能， r 为通用气体常数，r 为组分s 的时均值，口为指前因子。如果设各关联项都和 浓度脉动均方值y “= g 有关，则可以规定两种特征时间： 反应时间： l = 五a ) l a( 4 4 2 )