文档介绍：中国科学技术大学
硕士学位论文
湍流燃烧PDF模拟中当地自适应建表的研究和应用
姓名:陈华蕾
申请学位级别:硕士
专业:工程热物理
指导教师:陈义良
20040501
摘要概率密度函数方法是研究湍流燃烧问题的一种重要方法。因为在概率密度函数输运方程中化学反应源项是封闭的,不需要模拟,所以具有其他方法无法比拟的优越性。但是,由于反应速率方程是一个强刚性强非线性的常微分方程组,它的求解需要花费大量的计算时间,因此需要寻找减少求解化学反应速率方程的计算时间的方法。本文针对这方面问题进行了深入研究。在减少化学反应速率计算时间的方法的研究中,本文在对可行的各种方法进行比较分析的基础上,。本文首先对当地自适应建表方法进行了全面综述和深入分析;为了能够将它推广到其它计算流场中,作了适当的改进;最后将改进的方法应用于实际问题,所得出的结果表明改进的方法和早期方法相比,在保持节省关键词:湍流燃烧;概率密度函数:自适应建表计算时间的同时,能够更加精确的模拟流场中的化学热力学状态。
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研究背景第乱言迄今为止,燃烧过程仍然是人类有效利用自然能源的一个重要途径,通过燃烧过程将燃料中蕴藏的化学能转化成热能,然后再转化成其它形式的能量。因此,燃料燃烧是动力生产的主要来源,燃烧现象无论是对工业生产,还是对日常生活都有着很大的影响。当前,能源短缺和环境污染问题日益突出,通过研究燃烧现象和了解燃烧过程机理来提高燃烧效率和减少燃烧过程中的污染物排放成为了追在眉睫的任务;同时,新技术的发展使得在应用中出现了其它一些在特殊条件下的燃烧现象,这些条件下的燃烧过程也需要我们进行仔细的研究。所有这些都使得研究燃烧问题成为必要。实际燃烧过程一般是以湍流的形式出现。由于燃烧过程是一种复杂的物理、与湍流脉动存在着耦合和关联,想要得到理论分析解是几乎不可能的。所以对于湍流燃烧的研究除了理论研究和实验测量之外,计算机数值模拟方法因其经济性和信息量大的特点成为了其他方法无法替代的研究手段。通过数值模拟,一方面可以求出各种理论模型对应的数值解,进而将该解和相应的实验数据加以比较,检验、发展和优化理论模型:另一方面,还可以通过求解方程在不同边界条件和不同物性参数之下的数值解,深入认识现有湍流燃烧特征,进一步解释湍流燃烧的规律。在应用传统的统计矩模型模拟有化学反应的湍流流场过程中,由于化学反应速度和化学热力学参数之间存在着强非线性关系,致使很难通过的温度和组分浓度的低阶统计矩来精确模拟化学反应速度的统计平均。然而在速度和标量的联合概率密度函数方法中,湍流输运和化学反应速度有关项都是以封闭的形式出现,程的模拟,也为湍流燃烧中点火、熄火和污染物排放等过程的高精度研究提供了化学的综合过程,而且湍流也是一个极其复杂的非线性的随机过程,各个物理量原则上说,任意复杂的化学反应机理都可以精确计算,从而避免了对一些重要过必要的手段。引言
概率密度函数方法概述对于实际湍流燃烧问题,要得到概率密度函数输运方程的数学解析解是十分困难的,因此还是需要采用数值方法进行求解。为了减小计算过程中的统计误差来提高计算精度,需要选取大量的样本数;另外,由于化学反应组分繁多,反应过程复杂,而且不同的反应对应的时间尺度可以相差多个量级,直接积分计算化学热力学参数的变化会耗费大量的计算时间。所以,如何在实现详细化学反应机理的同时减少计算时间成为了一个重要的研究课题,这也正是本文所研究和讨论的主要内容。下面首先对概率密度函数方法以及这个问题的历史和现状进行简单概率密度函数方法的应用开始于频肌⒛;⒓扑懔怂俣鹊牧合概率密度函数的输运方程。和通常的湍流模型不同,这~方程中的湍流输运项是封闭的,对于这些输运过程无需采用其它模型假设。在计算过程中,【U庑┍炅咳缱榉值闹柿颗ǘ群臀露龋枋隽肆鞒〉幕力学状态。和上述的速度概率密度函数类似,在这些联合概率密度函数的输运方程中同样无需模拟化学反应项。可以对任意复杂的化学反应都可以精确计算。显然,在这些方程中,速度和标量的联合概率密度函数是单点概率密度函数输运方程中最完整的,它包含了有关速度和化学热力学参数的全部单点随机信息,。相比于速度和标量的联合概率密度函数方程,标量联合概率密度函数方程由于自身无法计算湍流流场,必须引入其他湍流模型来进行速度场的计算,此外还必须对方程中的湍流输运项进行模拟,但是仍然保留了无需模拟化学反应项的优点,