非预混层流火焰模型资料.pdf

层流火焰模型 层流火焰模型通过把离散，定常层流火焰叫做小火焰，.并用之近似模拟紊流火焰。 我们假定作为个体的小火焰和简单结构的层流火焰拥有相似的结构，而小火焰是由计算 或实验的得到的。在 prePDF中使用具体的化学机理，prePDF就可以在非预混燃烧中计 算逆向层流扩散小火焰。并通过使用静态 pdf法将层流小火焰包含于紊流火焰中。 层流小火焰近似法的优点在于能够将实际的动力效应融合在紊流火焰之中。如在 14.3中提到的平衡方法，就可以预处理化学性质，这将节省大量的计算时间。然而，层 流小火焰法局限用于相对高速的化学反应中。我们认为，在瞬间内，小火焰就能够对空 气动力学应变有所反映。因此，这种模型就不能够充分表现如点火，熄火和如 Nox这一 类反应速度缓慢的化学反应。 关于混合分数模型的知识请查看第 14.1节。 14.4.1 简介。 在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多 的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增 加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短， 当地不平衡性增加。 层流小火焰模型适合预测中等强度非平衡化学反应的紊流火焰，而不平衡性是 由于紊流所产生的空气动力学应变引起的。然而，化学反应能够迅速的对例如应变松弛 和对平衡能力的化学松弛等应变作出迅速的反应。 当化学反应时间尺度和流体运输时间尺度相当时，火化中心被认为是达到全局 化学不平衡，这些反应包括 Nox 的形成和低温 CO 的氧化。层流小火焰模型不适合于反 应速度缓慢的燃烧火焰。相反的，应当使用轨道颗粒假设(如 Nox模型)，或是用 EDC模 型（相见 13.1.1）。 14.4.2 假设与限制条件 在 fluent中所有运用小火焰模型都必须遵循以下的假设： a,在模型中只能单混合分数，双混合分数模型是不允许的。 b. 假定混合分数遵守 -函数 pdf，标量耗散遵循双δ方程 pdf。 c. 以经验为基础的气流不能用小火焰模型。 14.4.3 小火焰的概念 概述 小火焰模型认为紊流是由紊流流动区域内的很薄的局部的一维的层流小火焰构成 【27，176，177】（见图 14.4.1）。 用来逆向扩散火焰来表示紊流小火焰中的层流火焰。这幅图表示的是流向相对 的轴对称的燃料喷嘴和氧化剂射嘴的示意图。当喷嘴的距离减少或射流速度增加时，火 焰就会变形，并偏离化学平衡直至最终消失。我们可以从逆向层流扩散火焰试验中得到 质量分数和温度区域，一般是计算得出。对于后者，由于存在自相似，控制方程能够简 化为一维形式，这样，可以实现完全化学反应的计算了。 在逆向层流火焰中，混合分数 f（详见 14.1.2）从燃油喷嘴开始到氧化剂喷嘴处 开始单调的递减至 0。假如质量分数和温度反映混合分数与实际空间相关，他们就能够 用唯一的混合分数和应变率(等效地标量耗散 ，详见 14.4-2)这两个变量来描述。从 而，就可以用两个参数 f 和 来完全表述化学反应。 这种把化学反应用 f 和 这两个参数完全描述的方法使小火焰计算能够进行预 处理，并被储存在表中。过对化学反应的预处理，可以大大减少计算时间。 平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。 应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义： a s = v/2 d，v是燃料和氧 化剂的速度，d是喷嘴口之间的距离。 替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用 .来表示的标量耗散就 很方便。标量耗散定义如下： (1 4.4.1) 这里的 D代表相对应的扩散系数。 我们应当注意的是标量耗散项 随着小火焰的轴向变化。对于逆流结构而言，在 【176】中提到，小火焰的应变率 a s 与 f相关。 (1 4.4.2) = 标量耗散，在 处 a s = 特征应变率 =化学当量混合分数 = 反 erf函数 在物理上而言，当火焰变形时，反应区的宽度减小，在化学恰当比的位置（ ） 处 f的梯度增加。那就用瞬间的标量耗散 作最主要的非平衡参数。其量纲是 s –1 ， 可以认为其是特征耗散时间的倒数。在 的极限时，化学反应趋于平衡，随着 的增加，非平衡性增加。当 超过极值点时发生小火焰的局部淬息现象。 嵌入到紊流火焰中的层状小火焰 s。 紊流火焰刷（turbulent flame brush）以离散的层状小火焰维模型。因此，对于 绝热系统，在小火焰模型中物质分数和温度完全是 f和 的函数，在紊流火焰中的温 度和物质分数可以如下确定： (1 4.4