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第三讲 化学反应流体动力学模型 2009.10.12 化学反应流体动力学概念 流动过程和模型 化学反应模型 点火模型 状态方程 实例介绍 1.化学反应流体动力学概念 化学反应流体动力学现象： 燃烧： 一种带有剧烈化学反应的流动现象。实际燃烧过程是一个包含流体流动、传热和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程。 化学爆炸： 由于物质在一定的条件下产生化学，在反应的过程中，急剧释放能量而引起爆炸。 爆轰： 化学反应阵面沿炸药超声速传播的过程。 1.化学反应流体动力学概念（续） 化学反应流体动力学基本内涵： 流动： 物质在空间中的运动。 化学反应： 物质组成和性质的变化，新物质的生成，旧物质的消亡。 动力学： 物质系统演化的起始、发展和结束，是时间历程的函数。 状态： 某一时间t、位置r物质的性质，局部迅速热动平衡假设。 2.流动过程与模型 层流和湍流的概念 层流： 一种有规则的流动状态。 湍流： 一种无规则的流动运动，在湍流中各种量呈现着随时间和空间的随机变化，但这些量的统计平均值的变化是有规则的。 两种状态的区分： 2.流动过程与模型（续） 湍流的产生 所流过的固壁的摩擦作用－－固壁湍流 具有不同速度的流体层之间的相互作用－自由湍流 2.流动过程与模型（续） 湍流均流的描述 为什么要引入平均 直接模拟难题：为描述小尺度湍流特性，必须把研究体系至少分成相当于该尺度大小的网格，现有计算机的存储量和运算速度与要求相距甚远。 2.流动过程与模型（续） 湍流均流方法 2.流动过程与模型（续） 湍流均流控制方程（雷诺方程） 2.流动过程与模型（续） 流体流动基本方程 2.流动过程与模型（续） 湍流均流方程组与基本方程组的异同 2.流动过程与模型（续） 湍流模拟的思想观点 2.流动过程与模型（续） 湍流粘性系数模型 2.流动过程与模型（续） 如何确定湍流粘性系数 2.流动过程与模型（续） 混合长度模型 2.流动过程与模型（续） 单方程模型 2.流动过程与模型（续） 单方程模型（续） 2.流动过程与模型（续） 双方程模型 2.流动过程与模型（续） 双方程模型（续） 2.流动过程与模型（续） 湍流粘性系数模型的不足 2.流动过程与模型（续） 雷诺应力方程 2.流动过程与模型（续） 流动过程模型小结 2.流动过程与模型（续） 流动过程模型小结（续） 3. 化学反应模型 化学反应基本过程 3. 化学反应模型（续） 简单化学反应系统 主要考虑化学反应的热效应和气动效应，而且化学反应对流动状态的影响主要由其热效应引起。 处理的问题主要是研究带有化学反应的流动问题。 3. 化学反应模型（续） 化学反应快慢的度量 达姆克勒数Da 定义： 物理过程（流动、混合或拉伸）特征时间与化学过程特征时间之比。表征物理过程和化学过程速率的相对大小。 Da趋于0 —— 没有化学反应发生 Da趋于无限大 —— 快速反应 （化学动力学观点：化学反应速率无限大； 化学热力学观点：热力学平衡态） Da不趋于0和无限大 —— 有限速率反应 （反应速率在层流状态中取决于体系的化学热力学 状态 (温度、应力和反应物浓度)；湍流状态下还受湍流混合和脉动的影响。） 3. 化学反应模型（续） 简单化学反应系统 3. 化学反应模型（续） 简单化学反应系统（续） 3. 化学反应模型（续） 简单化学反应系统（续） 3. 化学反应模型（续） 复杂化学反应系统 3. 化学反应模型（续） 复杂化学反应系统（续） 3. 化学反应模型（续） 复杂化学反应系统（续） 4.点火模型 点火基本概念 点火是化学反应流体动力学的启动过程。点火是一个很有意义的不稳定燃烧过程。 点火的基本过程 以电火花点火为例，在一定条件下，电火花将点燃周围的可燃混合气，产生火焰，火焰在混气中传播，这就是所谓成功的点火。 4.点火模型（续） 点火模拟基本假设 1。为计算火花点火能量的传递，把火花模化为一团炽热的惰性气体。 2。热气团被突然置于处于静止状态的均匀的可燃混合气中。 3。可燃混合气体积假设很大，可以忽略可燃气体边界对点火过程的影响。 4。热气团和