燃烧仿真.湍流燃烧模型：湍流燃烧模型概述：湍流燃烧模型的实验验证与数据对比.pdfVIP

燃烧仿真.湍流燃烧模型：湍流燃烧模型概述：湍流燃烧模

型的实验验证与数据对比

1湍流燃烧模型简介

1.1湍流燃烧的基本概念

湍流燃烧是燃烧科学中的一个重要分支，它研究的是在湍流条件下燃料的

燃烧过程。与层流燃烧相比，湍流燃烧中的流体运动更为复杂，燃料与氧化剂

的混合更加迅速和不规则，这导致燃烧速率和火焰结构显著不同。在工业应用

中，如内燃机、喷气发动机和燃烧室设计，理解湍流燃烧的特性对于提高燃烧

效率、减少污染物排放至关重要。

1.1.1湍流燃烧的关键特性

混合与扩散：湍流中的不规则运动促进了燃料与氧化剂的快速混

合，这是湍流燃烧速率高于层流燃烧的主要原因。

火焰结构：在湍流条件下，火焰面可能变得非常扭曲和破碎，形

成所谓的“火焰皱褶”。

燃烧稳定性：湍流燃烧的稳定性受到流体动力学和化学动力学的

共同影响，需要精确的模型来预测。

1.2湍流与层流燃烧的区别

1.2.1流动特性

层流：流体运动有序，燃料与氧化剂的混合依赖于分子扩散，燃

烧速率较慢。

湍流：流体运动无序，存在大量涡旋，燃料与氧化剂的混合依赖

于湍流扩散，燃烧速率快。

1.2.2燃烧模型

层流燃烧模型：通常基于简单的化学反应机理，如Arrhenius定律，

来描述燃烧过程。

湍流燃烧模型：需要考虑湍流对燃烧的影响，包括湍流混合、湍

流扩散和湍流对化学反应速率的影响。

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1.3湍流燃烧模型的分类

湍流燃烧模型主要可以分为以下几类：

1.3.1均匀反应模型（UniformReactivityModel）

假设湍流对化学反应速率的影响可以忽略，所有反应物在火焰面上以相同

的速率反应。这种模型适用于化学反应速率远大于湍流混合速率的情况。

1.3.2EddyDissipationModel(EDM)

1.3.2.1原理

EDM模型假设湍流涡旋的耗散速率决定了化学反应速率。在每个涡旋中，

燃料和氧化剂迅速混合并燃烧，直到涡旋耗散。这种模型适用于湍流混合速率

远大于化学反应速率的情况。

1.3.2.2内容

EDM模型的关键参数是涡旋耗散速率（）和化学反应时间尺度（）。当

≫1时，化学反应可以认为是瞬时的。

1.3.3FlameletModel

1.3.3.1原理

Flamelet模型基于预混火焰和扩散火焰的理论，通过构建一系列预定义的

火焰结构（即“flamelets”），来描述湍流燃烧中的火焰行为。这些flamelets可

以是层流预混火焰或层流扩散火焰的解，通过湍流参数（如湍流强度和涡旋尺

度）进行调制。

1.3.3.2内容

Flamelet模型通常需要解决以下方程组来生成flamelet库：

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

物种守恒方程

这些方程组在不同的化学反应条件下求解，生成的flamelet库可以用于湍

流燃烧的数值模拟。

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1.3.4PDF(ProbabilityDensityFunction)Model

1.3.4.1原理

PDF模型通过描述反应物浓度的概率分布函数来模拟湍流燃烧。这种方法

考虑了湍流中浓度的随机性和不均匀性，能够更准确地预测燃烧过程。

1.3.4.2内容

PDF模型的关键是求解反应物浓度的概率密度函数（PDF）。这通常涉及到

求解一个高维的Fokker-Planck方程，该方程描述了湍流和化学反应对浓度分布

的影响。

1.3.5示例：使用Flamelet模型进行燃烧仿真

假设我们正