层流非预混扩散火焰9.ppt

* * 在对对吹火焰进行数学描述以前，有必要知道它的一些基本特征。典型的对吹火焰实验如图9.15所示，燃料和氧化剂相对喷射，在两个喷嘴之间形成了一个滞止面（vx = 0），其位置由燃料和氧化剂的初始喷射动量通量的相对大小来决定。 Fig 9.15 Counterflow diffusion flame lies above stagnation plane (dashed line) created by oppposing streams of fuel and oxidizer 如果二者的动量通量相等，即 那么这个滞止面就位于两个喷嘴的中点处，否则滞止面就会向低动量通量的流体侧移动。由于火焰位于化学当量比下混合物分数fstoic的地方，就可以根据这些条件来确定火焰在喷嘴之间的位置。 Q-3 : 火焰面在滞止面的那个位置 * * 对于大多数碳氢化合物在空气中的燃烧来说，其化学当量比fstoic≈0.06，因此需要空气量比燃料量多很多才能满足这个条件。在这种情况下，燃料就必然通过滞止面向火焰面扩散，如图9.15所示。相反的，如果按化学当量比混合时所需的燃料量大于氧化剂量，即fstoic 0.5，那么火焰面就位于静止面的燃料侧。 * * 7.1 数学描述 对对吹火焰的建模由两种不同的处理方法。 第一种将无限远处点源产生的驻点势流(stagnation-point)和边界层分析结合起来[31]，在这种分析里面，两个喷嘴之间的有限距离无法得以考虑。 第二种方法[32, 33]明确指出了流体是从喷嘴流出的，而不是由无限远处的点源产生的。本节重点介绍这种方法。 这个模型最初是针对预混火焰建立的[32]，后来才扩展到了非预混火焰[33]。下面将对第二种方法做简单的概述，并使用这个模型来检验数值解给出的甲烷-空气扩散火焰的具体结构。对该方法的详细说明可以参见参考文献32和33。 * * SAND96-8243 Unlimited Release Printed May 1997 SAND85-8240, UC-4 Unlimited Release Printed April 1995 对吹火焰的算法目前国际上最公认的是Sandia的PREMIX和OPPDIX. * * 这种分析方法总的目标是将用于轴对称的偏微分控制方程组转换为常微分方程组，并把它看作边界值问题来求解。 首先将对用连续性和动量守恒方程的轴对称形式进行处理，这些方程均在第七章中给出，其中连续性方程为(7.7)，轴向和径向动量守恒方程分别为(7.43)和(7.44)。为了实现方程组的转换，引入下面的流函数： 对吹火焰的算法目前国际上最公认的是Sandia的PREMIX和OPPDIF. * * Von Karman：可压缩流体-了解应用流体力学的本质 连续性方程 和r无关 (Eq.9.76) (Eq.9.77) * * 将(9.76a)、(9.76b)和(9.77)代入动量守恒方程(7.43)和(7.44)中，再忽略浮力的作用，就可以得到下面的式子： * * 通过这两个式子可以获得关于径向压力梯度的特征方程，其左边的表达式之间的关系为： 而该问题为一维的， ?P/?x和(1/r)(?P/?r)都只是x的函数，因此可得 * * 其中H为径向压力梯度的特征值，将在常微分方程组里面以下面的形式出现： 当流体的马赫数较低时，可以近似认为流场里各处的压力均相等，因此可以去掉轴向动量方程(9.78a)，而只保留径向动量方程。将(9.80)代入(9.78b)整理可得： * * 相应的动量守恒方程分别为： 可以忽略 * * 和 总的来说，(9.77)、(9.81)、(9.82)、(9.83)和(9.84)组成了对吹扩散火焰模型的常微分方程组，其中含有四个未知函数F (x)、G (x)、T (x)、Yi (x)和特征值H。除此之外，还需要用到下面这些关系及数据： 相应的能量和物质守恒方程分别为： * * x=0处： 在图9.15中，燃料喷嘴出口处x≡0，氧化剂出口处x≡L。除了上面的条件以外，这个边界值问题还需要用到这两个出口处的流体速度、速度梯度、温度以及质量分数（或质量通量分数）这些边界条件 x=L处： * * CH4-Air 火焰结构 前面对对吹火焰模型进行了描述，下面将用该模型来分析甲烷-空气、氢气-空气扩散火焰的结构。 Miller和Bowman[35]提供的化学动力学中用到了OPPDIF软件[33]和CHEMKIN库代码[34]，由此计算出来的温度和速度分布如图9.16所示，其中左边为燃料侧，右边为空气侧；主要物质的摩尔分数分布见图9.17。 * * Flame A：Fuel 100% CH4; Oxidizer：Air Flame B：F