1、3.2 湍流预混火焰模型 预混火焰/层流火焰传播速度q燃料和氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合燃料和氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合的火焰称为预混火焰的火焰称为预混火焰 q层流火焰传播速度层流火焰传播速度SL是可燃气的物理化学性质，是可燃气的物理化学性质，与流动参数无关与流动参数无关 低雷诺数湍流q低雷诺数湍流中，火焰出现皱折和抖动，在高低雷诺数湍流中，火焰出现皱折和抖动，在高速摄影中仍可发现火焰面基本连续速摄影中仍可发现火焰面基本连续 q湍流火焰传播速度湍流火焰传播速度ST qST SL qST与流动状态有关与流动状态有关 高雷诺数湍流燃烧 q不再存在单一连续的火焰面，整个燃烧区由许不再存
2、在单一连续的火焰面，整个燃烧区由许多程度不同的已燃和未燃气团组成多程度不同的已燃和未燃气团组成-“容积燃容积燃烧烧”q影响燃烧速率的因素影响燃烧速率的因素流动状态流动状态分子输运过程和化学动力学因素分子输运过程和化学动力学因素湍流燃烧速率 q平均化学反应速率平均化学反应速率q使均流方程组封闭的关健使均流方程组封闭的关健q简单化学反应系统，瞬时反应率遵守双分子碰简单化学反应系统，瞬时反应率遵守双分子碰撞模型的撞模型的Arrhenius公式公式(3-38)q假定压力脉动可暂不考虑，一般情况下由于浓假定压力脉动可暂不考虑，一般情况下由于浓度脉动和温度脉动的相关性度脉动和温度脉动的相关性(3-39)q
3、如何模拟如何模拟 呢？呢？2exp(/)fufuoxRBm m PE RT 2exp(/)fufuoxRBm m PE RT fuR模拟q对式对式(3-38)中的浓度和温度进行雷诺分解，对中的浓度和温度进行雷诺分解，对整个式子进行雷诺平均，对产生的脉动值二阶整个式子进行雷诺平均，对产生的脉动值二阶关联项逐项模拟求得方程的封闭。关联项逐项模拟求得方程的封闭。涉及的需要模化的量很多，在研究湍流燃烧模型的涉及的需要模化的量很多，在研究湍流燃烧模型的初期开展这种模化十分困难初期开展这种模化十分困难q设法找到影响设法找到影响 的主要因素，提出的主要因素，提出 的简化的简化表达式，求得方程的封闭，而后通过
4、计算和实表达式，求得方程的封闭，而后通过计算和实验的对比改进模型，发展模型。验的对比改进模型，发展模型。比较成功比较成功 EBU模型和模型和SCASM模型模型 fuRfuRfuR以通道内钝体后方预混气体燃烧的湍流流动的模拟为算例q在研究区域内，均流的类型可以近似地考虑成在研究区域内，均流的类型可以近似地考虑成具有如下的特征具有如下的特征 稳定的湍流平面流动稳定的湍流平面流动 压力仅在主流方向上变化压力仅在主流方向上变化 主流方向上的扩散、导热和粘性作用相比可忽略不主流方向上的扩散、导热和粘性作用相比可忽略不计计 辐射换热可以不计辐射换热可以不计 SCRS假设有效假设有效 控制均流的微分方程组-
5、1q连续性方程连续性方程q轴向动量方程轴向动量方程 q滞止焓方程滞止焓方程 q()()0urvrxy()()()eauur uvr urrgxyyy()()hur hvr hr hxyyy21()2()ehuryy控制均流的微分方程组-2q组分方程组分方程(3-40)q湍流脉动动能方程湍流脉动动能方程 (3-2)q湍流耗散率方程湍流耗散率方程 (3-3)()()jjjjjmumvmRxyyy3.2.1 旋涡破碎模型旋涡破碎模型旋涡破碎模型旋涡破碎模型(EBU)qEddy-Break-up(EBU)1 基本思想基本思想在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团
6、，化学反应在这两种气团的交界面上发生，认为平均化学反反应在这两种气团的交界面上发生，认为平均化学反应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比速率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比(3-41)/fuRk2 湍流燃烧速率湍流燃烧速率-1 1)对比用对比用k-模型和混合长度模型计算湍流粘度模型和混合长度模型计算湍流粘度的公式的公式2)假定假定 正比于混合长度与均流速度梯度绝对正比于混合长度与均流速度梯度绝对值的乘积值的乘积则则/k正比于均流速度梯度的绝对值正比于均流速度梯度的绝对值 3)燃烧速率一
7、定与燃料浓度有关燃烧速率一定与燃料浓度有关二维边界层问题湍流燃烧速率二维边界层问题湍流燃烧速率(3-42)1/22/tDCkC Ck1/2k,fu TEBUfuuRcmy 2 湍流燃烧速率湍流燃烧速率-1借助于借助于k和和(3-43)CEBU和和CR是常数，是常数，CEBU=0.35 0.4，CR 6gfu是燃料质量分数的脉动均方根是燃料质量分数的脉动均方根(3-44)(3-43)不仅适用于二维边界层问题，而且适用于不仅适用于二维边界层问题，而且适用于其它二维和三维湍流预混燃烧速率的计算其它二维和三维湍流预混燃烧速率的计算(对于二维边界层类型的燃烧问题，计算表明，用式对于二维边界层类型的燃烧问
8、题，计算表明，用式(3-42)比用式比用式(3-42)得到的结果更与实验吻合得到的结果更与实验吻合)1/2,/fu TRfuRcgk 2fufugm3 燃料质量分数的脉动均方根燃料质量分数的脉动均方根 gfu的求法的求法(两种两种)q用用 或其梯度来表示或其梯度来表示(3-45)或或(3-46)fum2fufugcm2222fufufufummmglxyzq建立建立gfu的输运方程的输运方程 二维边界层问题二维边界层问题(3-47)为常数，其值通常取为为常数，其值通常取为 122/fufufuggegfuDggmccgkDtyyy112/geggggcc；、和120.7,2.8,1.79ggg
9、cc4 温度修正的湍流燃烧速率温度修正的湍流燃烧速率q上述模型中没有考虑温度对燃烧速率的影响上述模型中没有考虑温度对燃烧速率的影响 q均流速度梯度较大，但可燃气温度不高，无剧均流速度梯度较大，但可燃气温度不高，无剧烈化学反应发生区域，式烈化学反应发生区域，式(3-42)不可能给出合不可能给出合理的燃烧速率理的燃烧速率q以平均参数表示的以平均参数表示的Arrhenius类型的燃烧速率类型的燃烧速率(3-48)q 比较比较(3-42)和和(3-48)(3-49)2,exp(/)fu AfuoxRBP m mE RT,minfufu Afu TRRR 和5 平面管道内火焰稳定器后面的燃烧场平面管道内
10、火焰稳定器后面的燃烧场 qSpalding et alq结果优于只用结果优于只用阿伦纽斯类型阿伦纽斯类型的公式的公式(3-48)得得到的结果，与到的结果，与实验数据的趋实验数据的趋势符合势符合 6 对对旋涡破碎模型的评价旋涡破碎模型的评价q功绩在于正确地突出了流动因素对燃烧速率的功绩在于正确地突出了流动因素对燃烧速率的控制作用，给出了简单的计算公式，为湍流燃控制作用，给出了简单的计算公式，为湍流燃烧过程的数学模拟开辟了道路。烧过程的数学模拟开辟了道路。q不足：该模型未能考虑分子输运和化学动力学不足：该模型未能考虑分子输运和化学动力学因素的作用因素的作用q适用范围：一股说来，适用范围：一股说来，
11、EBU模型只适用于高雷模型只适用于高雷诺数的湍流预混燃烧过程。诺数的湍流预混燃烧过程。3.2.2 拉切滑模型拉切滑模型 在在EBU模型基础上，为了体现分子扩散和化学动模型基础上，为了体现分子扩散和化学动力学因素的作用力学因素的作用qStretch-Cut-And-Slide Model(SCASM)1)基本思想基本思想(Spalding,1976)把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃气团；气团在湍流的作用下受到拉伸和切割，气团；气团在湍流的作用下受到拉伸和切割，重新组合，不均匀性尺度下降；在未燃气和已重新组合，不均匀性尺度下降；在未燃气和已燃气界面上存在着连
12、续的火焰面，它以层流火燃气界面上存在着连续的火焰面，它以层流火焰传播速度向末燃部分传播。焰传播速度向末燃部分传播。1 湍流燃烧模型气团尺度的变化过程气团尺度的变化过程 考虑一个单位考虑一个单位厚度的流体块，厚度的流体块，设其中每层流设其中每层流体块的平均厚体块的平均厚度为度为，则该流，则该流体块中一共有体块中一共有1/层流体。在层流体。在湍流作用下各湍流作用下各层流体的厚度层流体的厚度不断减小，流不断减小，流体块内的流体体块内的流体层数不断增加。层数不断增加。2)湍流预混燃烧的速率湍流预混燃烧的速率q假定：流体层厚度减半所需时间为假定：流体层厚度减半所需时间为t1/2(亦即流体层数增亦即流体层
13、数增加一倍所需要的时间加一倍所需要的时间)(3-50)(3-51)q假定：流体层厚度减少的主要原因是流场不均匀性带假定：流体层厚度减少的主要原因是流场不均匀性带来的拉伸作用，其速率可以用流场的应变速率表示。来的拉伸作用，其速率可以用流场的应变速率表示。t1/2与流场的局部应变速率成反比，与流场的局部应变速率成反比，(二维流场二维流场)(3-52)1/211/ddtt1/2ddtt duvdtyx q燃料的消耗速率燃料的消耗速率假设：位于两层流体界面上的火焰面以层流火焰传播假设：位于两层流体界面上的火焰面以层流火焰传播速度速度S向末燃气传播向末燃气传播(3-53)下标下标u和和b分别表示末燃状态
14、和已燃状态分别表示末燃状态和已燃状态 q二维湍流预混燃烧的速率公式二维湍流预混燃烧的速率公式(3-54),()/fufu ufu bdmmmSdt,()ln 1/fu ufu bufu TuuvmmyxRuvSyx 3)二维边界层类型燃烧问题燃烧速率二维边界层类型燃烧问题燃烧速率(3-55)q既有体现流动因素的速度梯度项，又有体现分子输运既有体现流动因素的速度梯度项，又有体现分子输运和化学动力学因素的层流火焰传播速度。和化学动力学因素的层流火焰传播速度。q在不均匀性很强的流场中，湍流燃烧速率主要取决于在不均匀性很强的流场中，湍流燃烧速率主要取决于流体应变率；在较均匀的流场中，湍流燃烧速率受层流
15、体应变率；在较均匀的流场中，湍流燃烧速率受层流火焰传播速度的影响较大。流火焰传播速度的影响较大。,()ln 1/fu ufu bufu TuummyRuSy uvyx4)EBU模型与拉切滑模型的关系模型与拉切滑模型的关系q假定在管内钝体后的火焰区内假定在管内钝体后的火焰区内 q于是于是(3-42)qEBU模型是拉切滑模型在一定条件下的简化形模型是拉切滑模型在一定条件下的简化形式式,30/,0.10.3,0ufu buddSmy，,0.4fu TfuuRmy 5)较均匀流场的湍流燃烧速率较均匀流场的湍流燃烧速率(3-56)q流场较均匀的区域，合理地估算层流火焰传播速度是流场较均匀的区域，合理地估
16、算层流火焰传播速度是正确运用拉切滑模型的关键之一正确运用拉切滑模型的关键之一。q层流火焰传播速度是可燃气的物理化学性质，它取决层流火焰传播速度是可燃气的物理化学性质，它取决于混合物的热力学状态于混合物的热力学状态(如压力和温度如压力和温度)，对温度尤为敏，对温度尤为敏感。感。q丙烷和空气当量比混合物的火焰传播速度丙烷和空气当量比混合物的火焰传播速度(m/s)(3-57)q求求S的问题转化为求的问题转化为求T。,()/fu Tfufu buRmmS 20.113(/298)0.186(/298)0.02STT6)火焰温度q实验表明，火焰区内有强烈的温度脉动，可达实验表明，火焰区内有强烈的温度脉动
17、，可达600K左左右。这意味着在已燃气层温度右。这意味着在已燃气层温度T+、未燃气层温度、未燃气层温度T-和和当地的平均温度之间存在很大差别。当地的平均温度之间存在很大差别。q影响火焰传播速度的温度是末燃气层的温度影响火焰传播速度的温度是末燃气层的温度T-，它与，它与当地的脉动特性密切相关。当地的脉动特性密切相关。q仿湍流扩散火焰时，在快速反应和简单化学反应系统仿湍流扩散火焰时，在快速反应和简单化学反应系统中用混合分数的均值中用混合分数的均值 、脉动均方值、脉动均方值g和概率分布函和概率分布函数数P(f)来确定系统的化学热力学状态。在湍流预混燃来确定系统的化学热力学状态。在湍流预混燃烧系统的研
18、究中也用类似方法，不同的是用反应度取烧系统的研究中也用类似方法，不同的是用反应度取代混合分数。即设法用反应度的均值代混合分数。即设法用反应度的均值 、脉动均方值、脉动均方值g和概率分布函数和概率分布函数P(f)确定系统的化学热力学状态。确定系统的化学热力学状态。f湍流反应度湍流反应度 及其脉动模型及其脉动模型q反应度反应度的定义的定义(3-58)q定量表示反应进行的程度定量表示反应进行的程度 q处于处于0和和1之间之间 qmfu,u和和mfu,b决定于系统的边界值，在求解系统状态的决定于系统的边界值，在求解系统状态的过程中是常数。过程中是常数。q常数平均值等于瞬时值，不受脉动影响常数平均值等于
19、瞬时值，不受脉动影响，于是，于是，(3-59)可见，可见，与与 遵守同样类型的微分方程，不同的仅遵守同样类型的微分方程，不同的仅是源项相差一个常数是源项相差一个常数,()/()fufu ufu bfu ummmm,()/()fufu ufu bfu ummmmfum反应度反应度的脉动均方值的脉动均方值 gq定义定义(3-60)qg和和 应当遵守同一类型的微分方程。应当遵守同一类型的微分方程。2222,22,()()/()/()fufufu bfu ufufu bfu ugmmmmmmm2fum反应度反应度的平均值和脉动均方值的平均值和脉动均方值 g的确定的确定q尝试尝试：假设：假设g遵守遵守g
20、fu的输运方程的输运方程(3-47)，解此方程可以得到解此方程可以得到 和和g。q假设：局部的瞬时反应度遵守城墙式的时间分布律，假设：局部的瞬时反应度遵守城墙式的时间分布律，并且满足条件并且满足条件(3-61)min和和max分别代表分别代表的可能的最小值和最大值（一般的可能的最小值和最大值（一般min0，max1）minmax122/fufufuggegfuDggmccgkDtyyyq设设等于等于-的时间分数为的时间分数为，则，则等于等于+的时间分数为的时间分数为(1-)，根据平均值的定义根据平均值的定义(3-62)(3-63)q因此因此(3-64)(3-65)或者按下述关系求解或者按下述关
21、系求解q、+和和-与与同同max、同同min的的相对大小有关相对大小有关(1)22()(1)()g ()/()2()()1/2()g1/2()g对于对于和和 1/21/20.5gg1/2max()g1/2min()g对于对于1/2max()g2111/(1)/()gg对于对于1/2min()g2101/()ggq根据根据、+和和-，求出，求出 和和q求温度的均值、瞬时值和脉动均方根值求温度的均值、瞬时值和脉动均方根值化学反应只是把滞止焓中的化学能转化成其中的内能化学反应只是把滞止焓中的化学能转化成其中的内能和动能，在一定条件下滞止焓本身的脉动可以忽略和动能，在一定条件下滞止焓本身的脉动可以忽略
22、(3-66)(3-67)(3-68)(3-69)fumfum211()2ffupThh mukc211()2ffupThh mukc211()2ffupThh mukc21/2()()TTT TT 湍流预混燃烧的速率的求解过程湍流预混燃烧的速率的求解过程 湍流反应度脉动模型湍流反应度脉动模型 T 式式(3-68)S 式式(3-57)拉切滑模型的燃烧速率表达式拉切滑模型的燃烧速率表达式(3-54)或或(3-55)引用式引用式(3-48)和和(3-49)，便完成了对，便完成了对 方程源方程源项的模拟项的模拟。fum2 控制方程的统一形式 q座标系中控制方程的统一形式座标系中控制方程的统一形式 1u
23、Sxu实际求解的微分方程(3-71)方程式 S 动量方程 u e 1Pux 滞止焓方程 h/eh 212()ehuyy 燃料质量分数 fum/ej fuR 湍流动能方程 k/ek 2euy 湍流耗散率方程 /e 212euCCKy 反应度脉动方程 g/eg 122/gegCCgky 湍流模型常数其他湍流模型常数值同表其他湍流模型常数值同表3-2。122.81.790.7gggCC，3 求解程序 q在矩形截面管道中心部分有一个直径为在矩形截面管道中心部分有一个直径为2.5毫米毫米的圆柱形火焰稳定器（其轴线垂直于主流方的圆柱形火焰稳定器（其轴线垂直于主流方向），该矩形截面在垂直于火焰稳定器轴线方向
24、），该矩形截面在垂直于火焰稳定器轴线方向上的宽度是向上的宽度是7.8厘米，来流是丙烷和空气的预厘米，来流是丙烷和空气的预混物。混物。1)边界条件 q原则：根据试验状态确定计算的边界条件。原则：根据试验状态确定计算的边界条件。q为了把回流区排除在积分区域之外，积分区域为了把回流区排除在积分区域之外，积分区域自距离火焰稳定器（其直径为自距离火焰稳定器（其直径为d）2.5d的下游的下游开始。开始。q在积分区域的开始截面上在积分区域的开始截面上速度、滞止焓和燃料质量分数的分布，可直接参照速度、滞止焓和燃料质量分数的分布，可直接参照Howe等人实验数据给定。等人实验数据给定。k、和和g，没有对应的实验数
25、据，根据经验确定。没有对应的实验数据，根据经验确定。k、和和gqk取为局部时间平均速度百分之二的平方值（即假设湍取为局部时间平均速度百分之二的平方值（即假设湍流强度为流强度为2%）；）；q燃料质量分数脉动的均方值（计算燃料质量分数脉动的均方值（计算g时需要）取为局时需要）取为局部燃料质量分数均值的部燃料质量分数均值的1%；q的初值：的初值：(3-72)lm是局部的混合长度是局部的混合长度(Nikurades公式公式)。3/43/2/mCkl积分区域的边界q积分区域的内边界积分区域的内边界管道的对称平面管道的对称平面 对称性，函数梯度为对称性，函数梯度为0的形式的形式(所有待解函数的边界所有待解
26、函数的边界条件条件)q积分区域的外边界积分区域的外边界管道壁管道壁 没有质量穿透，近似考虑成等温，没有质量穿透，近似考虑成等温，速度和三个湍流量（速度和三个湍流量（k、和和g）在固体壁面上的值在固体壁面上的值均认为等于均认为等于0。2)壁面函数 q前述湍流模型适用于完全湍流的区域。前述湍流模型适用于完全湍流的区域。q在固体壁面附近，流体的输运特性变化很大，在固体壁面附近，流体的输运特性变化很大，当十分靠近壁面时，会出现层流粘性作用大于当十分靠近壁面时，会出现层流粘性作用大于湍流输运作用的情况。湍流输运作用的情况。q方法：方法：壁面函数（壁面函数（wall-function method）比较经
27、济，且对于利用经验公式比较方便。比较经济，且对于利用经验公式比较方便。低雷诺数模型（低雷诺数模型（low-Reynolds-number modelling method）。）。壁面函数q壁面函数是一组特殊的关系式，它关联流体在壁面函数是一组特殊的关系式，它关联流体在近壁区域和壁面上的状态。近壁区域和壁面上的状态。q与边界条件的区别：与边界条件的区别：不是为了确定在壁面上的状态。不是为了确定在壁面上的状态。q作用：体现在修正近壁区域各变量的有效交换作用：体现在修正近壁区域各变量的有效交换系数或者给出变量的数值。系数或者给出变量的数值。q可以用分析或者经验的办法导出来。可以用分析或者经验的办法导
28、出来。壁面函数的确定q速度、滞止焓和燃料质量分数的壁面函速度、滞止焓和燃料质量分数的壁面函数数 由解控制近壁区域的由解控制近壁区域的Couette流动的常微分方流动的常微分方程得到程得到 qk、和和g的壁面函数的壁面函数 给出适于近壁区域的给出适于近壁区域的k、和和g的控制方程相的控制方程相当困难当困难采用经验加假设的方法来确定采用经验加假设的方法来确定 k、和g的壁面函数q认为：认为：在近壁区域，以下考虑近似符合实际在近壁区域，以下考虑近似符合实际平行于壁面的速度分量的分布遵守对数分布平行于壁面的速度分量的分布遵守对数分布律；律；湍流量湍流量k、和和g分别处于各自的局部平衡状分别处于各自的局
29、部平衡状态，即它们各自的产生率和耗散率相等态，即它们各自的产生率和耗散率相等联系联系k和和的湍流长度尺度（的湍流长度尺度（length scale）与与到壁面的垂直距离成正比。到壁面的垂直距离成正比。(3-73)(3-74)(3-75)w表示壁面剪应力，表示壁面剪应力，K是实验得到的常数是实验得到的常数0.4，下标下标p表示紧靠壁面的节点。表示紧靠壁面的节点。k、和g的壁面函数1/2/pwkC3/43/2/ppCkKy12232pgpgppgC C kCy4 计算结果分析 q1)火焰扩展角火焰扩展角平面管道中火焰稳定器后面的火焰面沿轴向的平面管道中火焰稳定器后面的火焰面沿轴向的分布，它是各横截
30、面上是最大温度脉动值所处分布，它是各横截面上是最大温度脉动值所处位置的轨迹位置的轨迹根据这个轨迹，可以方便地计算出火焰扩展角根据这个轨迹，可以方便地计算出火焰扩展角火焰扩展角的绝对值大约为火焰扩展角的绝对值大约为2度。与实验事实度。与实验事实相符。相符。各种不同来流状态下火焰扩展角 来 流 状 态 No u(m)混合比 T(K)燃料 P(atm.)添加剂 火焰扩展角的计算值(度)1 40 1 500 丙烷 1 0 2.08 2 60 1 500 1 0 2.08 3 32 1 400 1 0 2.08 4 48 1 600 1 0 2.08 5 40 1 500 3 0 2.05 6 40 1
31、.2 500 1 0 2.10 7 40 0.8 500 1 0 2.10 8 40 1 500 甲烷 1 0 2.05 9 40 1 500 丙烷 1 0.56O2 2.12 10 40 1 500 1 0.19N2 2.12 火焰面的位置 q虽然火焰扩展角相同，但火焰面的位置却有所虽然火焰扩展角相同，但火焰面的位置却有所不同不同。q来流的温度越低，则火焰面越接近轴线；大的来流的温度越低，则火焰面越接近轴线；大的来流速度使得火焰面靠近轴线。来流速度使得火焰面靠近轴线。2)温度脉动和湍流动能的分布随轴向距离的变化 q曲线曲线1和和2分别取自其分别取自其与火焰稳定器的距离与火焰稳定器的距离为为9
32、0d和和180d的截面。的截面。q每个曲线都有一个峰每个曲线都有一个峰值；这个峰值的位置值；这个峰值的位置随着与火焰稳定器的随着与火焰稳定器的距离的增加而逐渐靠距离的增加而逐渐靠近管道壁面；近管道壁面；q温度脉动在管道中心温度脉动在管道中心部分比较平稳，在火部分比较平稳，在火焰表面达到极大值。焰表面达到极大值。不同轴向位置的湍流动能的分布 q剖面的形状各不相剖面的形状各不相同；同；k的值开始阶段的值开始阶段不断增加，而后随不断增加，而后随轴向距离的增加而轴向距离的增加而下降。下降。曲线上的数值表示该剖曲线上的数值表示该剖面距火焰稳定器的无量面距火焰稳定器的无量纲距离，无量纲因子是纲距离，无量纲
33、因子是管道宽度的倒数管道宽度的倒数 3)燃烧效率 q燃烧效率燃烧效率定义定义q是无量纲流函数，其定义为是无量纲流函数，其定义为 1,01,0()()fufu bfu ufu bmmdmmd()/()IEI不同状态下燃烧效率随轴向位置的变化 在接近火焰稳定器的区域，来流的状态对燃烧效在接近火焰稳定器的区域，来流的状态对燃烧效率的影响很大。率的影响很大。在同样的轴向位置上，来流的温度较高，速度较低，有在同样的轴向位置上，来流的温度较高，速度较低，有利于得到较高的燃烧效率，但随着轴向距离的增加，这利于得到较高的燃烧效率，但随着轴向距离的增加，这种影响减弱，到了一定的距离（例如种影响减弱，到了一定的距
34、离（例如8倍于管道半径）燃倍于管道半径）燃烧效率全部达到了烧效率全部达到了95%以上，而不管来流的状态如何，以上，而不管来流的状态如何，此时来流状态对燃烧效率的影响可以忽略不计。此时来流状态对燃烧效率的影响可以忽略不计。湍流火焰的火焰面的确定 q寻找火焰面的数学特征是用数学模拟方法确定寻找火焰面的数学特征是用数学模拟方法确定火焰面的前提火焰面的前提 q层流燃烧系统层流燃烧系统 混合分数混合分数 f 等于等于fs 的点的轨迹的点的轨迹 fs表示燃料和氧化剂按当量比混合时的表示燃料和氧化剂按当量比混合时的f 温度温度T等于等于Tmax的轨迹的轨迹 燃料浓度梯度取最大值燃料浓度梯度取最大值 湍流火焰
35、的火焰面 q困难困难：剧烈脉动：剧烈脉动 q方法：方法：湍流扩散火焰区（湍流扩散火焰区（k-g模型）模型）把把f+和和f-分别等于分别等于fs的两个面围成的一个区域定义为的两个面围成的一个区域定义为火焰区火焰区 湍流预混火焰湍流预混火焰 火焰面急剧抖动，因此火焰面的确定应当与某种量火焰面急剧抖动，因此火焰面的确定应当与某种量的脉动联系起来的脉动联系起来 脉动量：湍流脉动动能脉动量：湍流脉动动能k和温度脉动值和温度脉动值q湍流脉动动能湍流脉动动能k脉动的原因脉动的原因火焰区释热火焰区释热近壁区的大速度梯度近壁区的大速度梯度q温度的脉动温度的脉动主要是由于火焰主要是由于火焰 q两个脉动量的最大值点
36、不两个脉动量的最大值点不重合；在一定范围内重合；在一定范围内k曲线曲线具有两个峰值，分别体现具有两个峰值，分别体现了火焰和近壁区的影响。了火焰和近壁区的影响。q火焰面：温度最大脉动值火焰面：温度最大脉动值的轨迹的轨迹3.2.3 EBU模型和SCASM模型的评价-1q拉切滑模型引入了拉伸作用和层流火焰拉切滑模型引入了拉伸作用和层流火焰传播速度对湍流燃烧速率的影响，是对传播速度对湍流燃烧速率的影响，是对旋涡破碎模型的发展。旋涡破碎模型的发展。q优点：优点：定量地描述了流动因素在高雷诺数湍流燃烧定量地描述了流动因素在高雷诺数湍流燃烧中的控制作用中的控制作用形式比较简单形式比较简单 3.2.3 EBU
37、模型和SCASM模型的评价-2q不足不足完全忽略或未能恰当考虑分子输运和化学动完全忽略或未能恰当考虑分子输运和化学动力学因素的作用力学因素的作用没有给出湍流和化学反应相互作用的物理图没有给出湍流和化学反应相互作用的物理图案，没有体现出湍流脉动的统计特征案，没有体现出湍流脉动的统计特征这种模拟思想无法解决复杂化学反应的计算这种模拟思想无法解决复杂化学反应的计算因为湍流对每一个基元反应的正逆反应速率的影响因为湍流对每一个基元反应的正逆反应速率的影响不会相同，不可能试图通过设想和分析找到那么多不会相同，不可能试图通过设想和分析找到那么多个反应速率的模拟表达式个反应速率的模拟表达式定量分析湍流燃烧过程的方法 q定量地分析点火、熄火和污染等受化学动力学定量地分析点火、熄火和污染等受化学动力学因素强烈影响的湍流燃烧过程是迫切需要解决因素强烈影响的湍流燃烧过程是迫切需要解决的问题的问题 q概率分布函数的输运方程模型概率分布函数的输运方程模型q平均反应速率的输运方程模型平均反应速率的输运方程模型 qESCIMO理论理论
