第三讲化学反应流体动力学模型.pptx

第三讲化学反应流体动力学模型

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得流动现象。实际燃烧过程就是一个包含流体流动、传热与化学反应以及它们之间相互作用得复杂得物理与化学过程。

化学爆炸：

由于物质在一定得条件下产生化学，在反应得过程中，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得过程。

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：

物质在空间中得运动。

化学反应：

物质组成与性质得变化，新物质得生成，旧物质得消亡。

动力学：

物质系统演化得起始、发展与结束，就是时间历程得函数。状态：

某一时间t、位置r物质得性质，局部迅速热动平衡假设。

2、流动过程与模型

层流与湍流得概念

层流：

一种有规则得流动状态。

湍流：

一种无规则得流动运动，在湍流中各种量呈现着随时间与空间得随机变化，但这些量得统计平均值得变化就是有规则得。

两种状态得区分：

雷诺数

2、流动过程与模型(续)

湍流得产生

所流过得固壁得摩擦作用一—固壁湍流

具有不同速度得流体层之间得相互作用一自由湍流

定量描述湍流参量

湍流尺度：包括长度尺度与时间尺度，取决于所研究体系得尺寸与流体得特征速度

湍流强度(湍流脉动动能):湍流得脉动具有拟周期性，可以瞧作具有不同脉动频率得运动得叠加。

2、流动过程与模型(续)

湍流均流得描述

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得网格，现有计算机得存储量与运算速度与要求相距甚远。

Kolmogorov小尺度定义

Re=10⁵△x=Re-3/4≈0.2mm

如体系特征尺寸0、2m,每个小涡团每个方向上5个网格

则：所需网格(125×1e9--→1e11)

2、流动过程与模型(续)

湍流均流方法

时间平均

空间平均概率平均

定常、不均匀

定常或准定常

均匀流场

对体系湍流流量进行时间平均公式

湍流脉动量定义φ=φ-φ

2、流动过程与模型(续)

湍流均流控制方程(雷诺方程)

推导方法：对各因变量雷诺分解，进行雷诺平均

连续方程

动量方程

能量方程组分方程

均流控制方程一般形式

2、流动过程与模型(续)

流体流动基本方程

连续方程

动量方程

能量方程组分方程

流体流动方程一般形式

2、流动过程与模型(续)

湍流均流方程组与基本方程组得异同

1)两者在形式上一样，由时间导数项、对流项、扩散项与源项构成。

2)将基本方程组中得量换成了相应得平均量

3)湍流均流方程中出现了新项-pu中

4)源项平均得表达式与基本方程有一些区别湍流输运量-pu;φ未知得

2、流动过程与模型(续)

湍流模拟得思想观点

1)把湍流输运量用已知量或已有得未知量表示出来，使得未知数得数目等于独立方程或数学表达式得数目。

2)模化：给出多余未知量得近似表达式使问题封闭得过程。

3)湍流输运量模化主要方法：

湍流输运系数得概念

直接寻找湍流输运量得代数表达式或封闭得输运方程。

大家应该也有点累了，稍作休息

大家有疑问的，可以诈

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2、流动过程与模型(续)

湍流粘性系数模型

湍流粘性概念：对应于层流粘性，湍流涡团得脉动与分子热运动有类似之处，也有粘性系数。

Boussinesq二维边界层定义雷诺应力：

非边界层雷诺应力定义

2、流动过程与模型(续)

如何确定湍流粘性系数

主要影响因素：

湍流涡团脉动动能k

湍流得特征尺度L

湍流粘性系数模型分类(根据需要求解微分方程个数)

零方程模型一一混合长度模型

单方程模型-—k方程模型

双方程模型-—k-em模型

2、流动过程与模型(续)

混合长度模型

(Prandtl1925年提出)

两条假设：

混合长度模型得不足：

没有考虑对流与扩散过程得影响

许多流动中给出混合长度计算公式相当困难

2、流动过程与模型(续)

单方程模型

(Kolmogorov1942、Prandtl1945年提出)

要点：

1、定义：

粘性系数：μ=C,pk¹²1湍流动能：

2、仿照混合长度公式，用代数式给出长度尺度

3、建立与模化k得微分方程，求得整个问题封闭

2、流动过程与模型(续)

单方程模型(续)

湍流动能k得模拟方程

单方程模型得不足：(与混合长度模型一样)

没有考虑对流与扩散过程得影响

许多流动中给出混合长度计算公式相当困难

2、流动过程与模型(续)

双方程模型

Spalding认为：

既然构成湍流得单元就是涡团，所以湍流输运应当与涡量或涡量脉动值有关；从雷诺应力输运方程存在耗散项要模化与方便提供湍流尺度。