《湍流燃烧模拟》课件

湍流燃烧模拟湍流燃烧模拟是研究燃烧过程的重要工具。它能帮助我们理解燃烧过程中的物理和化学现象，并优化燃烧系统设计。课程背景能源需求随着全球能源需求的持续增长，燃烧技术在电力、交通和工业等领域扮演着至关重要的角色。燃烧效率燃烧效率的提高不仅能降低成本，还能减少有害排放，实现可持续发展。燃烧稳定性确保燃烧过程稳定可靠，防止爆燃或熄火现象，是燃烧技术的核心问题。课程目标理解湍流燃烧基本原理掌握湍流燃烧模拟方法和常用模型了解湍流燃烧数值模拟的基本步骤掌握湍流燃烧模拟软件操作提高学生解决实际工程问题的分析能力培养学生科学研究的创新能力湍流简介湍流是流体运动的一种复杂形态。流体内部存在着不规则的、无序的、混沌的运动，并伴随大量的涡旋。湍流广泛存在于自然界和工程应用中，例如河流、大气、海洋、燃烧、飞机飞行等。湍流特性随机性湍流运动无规律可循，无法用确定性方程描述。扩散性湍流能够加速物质和能量的输运。涡旋性湍流中存在着各种尺度的涡旋，不断相互作用。湍流模型分类雷诺平均方程模型(RANS)RANS模型假设湍流量的统计平均值是时间不变的，可以用于模拟稳定或准稳态流动。大涡模拟(LES)LES模型直接模拟大尺度涡，使用模型模拟小尺度涡，可以捕获湍流的更多细节。直接数值模拟(DNS)DNS模型直接求解Navier-Stokes方程，可以精确地模拟湍流，但计算量非常大。N-S方程组N-S方程组描述了流体运动的控制方程。它包含了质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。该方程组是描述流体运动的基础方程。它广泛应用于各种流体力学问题，包括湍流燃烧模拟。湍流模型简介11.简化湍流湍流模型是对复杂湍流运动进行简化的数学描述，将平均效应纳入考虑。22.预测湍流特性模型用于预测湍流流动中速度、压力、温度等参数的变化。33.计算效率相较于直接数值模拟(DNS)，湍流模型能够在有限的计算资源下得到近似解。44.广泛应用在工程领域，湍流模型被广泛应用于燃烧模拟、气流分析、热传递等问题。K-ε模型模型概述K-ε模型是一种半经验模型，用于模拟湍流流动。模型使用两个输运方程分别描述湍动能k和湍流耗散率ε。模型优点计算效率高，适用范围广，常用于工程应用。模型相对简单，易于实现，可用于各种湍流流动。模型局限性精度受限，无法准确描述复杂的湍流现象。模型对边界条件敏感，需要根据具体问题进行校正。K-ω模型模型优势K-ω模型对于边界层流动和分离流动有很好的预测能力，在近壁面区域具有更高的精度。模型应用K-ω模型常用于航空航天、涡轮机和燃烧模拟等领域，特别适用于分析和预测湍流边界层流动现象。模型局限K-ω模型在自由流区域精度相对较低，对于大尺度湍流的预测效果可能不如其他模型。SST模型结合K-ε和K-ωSST模型结合了K-ε和K-ω模型的优点，在近壁区使用K-ω模型，在远离壁面区域使用K-ε模型。壁面边界层精度该模型能更好地处理壁面边界层流动，预测精度更高，适用于各种湍流流动。广泛应用SST模型在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用，是目前应用最为广泛的湍流模型之一。LES方法直接数值模拟该方法直接求解流体运动的控制方程，无需模型简化，精度高，但计算量巨大，仅适用于简单问题。大涡模拟直接模拟较大尺度的湍流涡，使用模型模拟较小尺度的涡，计算量比DNS小，但精度不如DNS。DNS方法11.高精度直接数值模拟(DNS)能够对湍流燃烧中所有尺度的流动和化学反应过程进行精确模拟。22.计算成本高由于需要解析所有尺度，DNS的计算量非常大，通常需要高性能超级计算机才能完成。33.复杂性高DNS方法的实现和数据处理非常复杂，需要专业人员进行操作。湍流燃烧基本理论火焰传播火焰在湍流中的传播受湍流的影响，火焰结构和燃烧速度会发生改变。混合控制湍流增强了燃料和氧化剂的混合，影响燃烧速率和火焰稳定性。化学反应湍流燃烧中，化学反应速率受湍流的影响，需要考虑湍流对反应的扩散和混合的影响。湍流燃烧模型分类化学反应速率模型考虑反应速率对湍流燃烧的影响，如基于有限速率化学反应的模型。火焰面模型假设火焰面以特定速度传播，并用湍流扩散系数来模拟火焰面的运动。概率密度函数模型使用概率密度函数描述湍流燃烧中不同反应物和产物的分布，并通过求解相应的输运方程来模拟湍流燃烧过程。混合定律模型混合定律混合定律模型假设火焰面上的湍流混合控制着燃烧速率。化学反应该模型考虑了化学反应速率的影响，但通常简化为单步反应。火焰面该模型将火焰面视为一个薄层，燃烧在此处发生。扩散火焰模型11.混合控制扩散火焰的燃烧速度由燃料和氧化剂之间的混合速率控制，而不是化学反应速率。22.燃料和氧化剂分离燃料和氧化剂在扩散火焰中是分离的，并在火焰区域相互扩散混合。33.燃烧区域燃烧区域是燃料和氧化剂混合并发生化学反应的地方，通常是一个薄薄的区域。44.应用广泛扩散火焰模型广泛应用于燃烧设备，例如燃气轮机、锅炉和内燃机等。预混火焰模型火焰传播速度预混火焰模型主要用于计算火焰传播速度，该速度受燃料浓度、温度和压力等因素的影响。层流火焰预混火焰模型可以模拟层流火焰的传播，这是一种理想状态，忽略了湍流的影响。部分预混模型混合气体部分预混燃烧是指燃料和氧化剂部分混合形成混合气体。火焰传播火焰在混合气体中传播，形成复杂的燃烧现象。应用场景部分预混模型应用于内燃机、燃气轮机等领域。化学反应动力学反应速率化学反应速率是指反应物转化为产物的速度，与温度、浓度、催化剂等因素有关。活化能活化能是指反应物分子发生有效碰撞并转化为产物所需的最低能量。反应机理反应机理是指化学反应发生的步骤和中间产物，解释反应的步骤、反应速率和产物。Arrhenius方程Arrhenius方程描述了反应速率常数与温度和活化能之间的关系。碰撞分子理论分子碰撞化学反应需要分子之间的碰撞。碰撞的频率和能量决定了反应速率。有效碰撞只有当分子碰撞时，它们具有足够的能量和正确的方向，才可能发生化学反应。激活能量1化学反应阈值激活能是化学反应发生的最低能量，指反应物分子从基态跃迁到过渡态所需的最低能量。2克服势垒化学反应需要克服反应物分子之间的相互排斥力，即活化能，才能形成新的化学键。3温度影响温度升高时，分子平均动能增加，更容易克服活化能，反应速率加快。4催化剂作用催化剂能降低活化能，加速化学反应，因为催化剂能提供一条能量更低的反应路径。Arrhenius方程化学反应速率常数Arrhenius方程描述了温度对化学反应速率的影响，通过速率常数来体现。活化能活化能是指反应物分子从反应状态转化为过渡态所需的最小能量，决定了反应的难易程度。实验验证实验结果表明，许多化学反应的速率常数可以用Arrhenius方程准确描述，体现了该方程的广泛应用。湍流燃烧数值模拟1网格生成精确捕捉火焰结构。2求解算法数值方法求解方程。3边界条件模拟实际燃烧环境。4物理模型湍流、燃烧、辐射。湍流燃烧数值模拟需要构建精确的物理模型。数值方法求解控制方程。燃料喷雾模型11.喷雾破碎喷雾破碎模型描述液滴破碎成更小的液滴的过程。22.喷雾蒸发喷雾蒸发模型模拟液滴在高温气流中蒸发成气态燃料的过程。33.喷雾混合喷雾混合模型考虑了气态燃料与周围空气的混合过程。44.喷雾湍流喷雾湍流模型描述喷雾与湍流气流相互作用的复杂过程。火焰传播模型层流火焰模型描述火焰在静止或缓慢流动的介质中的传播过程。适用于低速燃烧情况。湍流火焰模型考虑了湍流对火焰传播的影响。适用于高速、高湍流强度燃烧。火焰面模型将火焰简化为一个薄的界面。适用于简化燃烧模拟。PDF模型采用概率密度函数描述火焰结构。适用于复杂燃烧现象的模拟。辐射模型辐射模型模拟热量通过电磁波的形式传递。燃烧过程中会产生热辐射，影响火焰温度和燃烧过程。辐射模型考虑不同物质的辐射特性和光线传播路径。数值方法有限体积法有限体积法是基于网格的数值方法，将计算域划分为有限个控制体积，对每个控制体积进行积分并求解方程。有限差分法有限差分法利用差分方程来近似偏微分方程，将偏微分方程转化为代数方程组，然后求解。有限元法有限元法将计算域离散成有限个单元，并使用插值函数来近似未知量，最终得到一个线性代数方程组，进行求解。模型验证与应用实验验证通过与实验数据进行比较，验证模型的准确性和可靠性。实验数据可以来自实验室燃烧试验或实际发动机测试。工程应用湍流燃