文档介绍：中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号: 094283 湍流 CH 4 /Air 射流扩散燃烧数值模拟武文,黄威,赵平辉,叶桃红(中国科学技术大学热科学和能源工程系,合肥 230027 ) (Tel: 0551-3601650, Email: ******@.) 摘要: 本文基于开源计算流体力学软件 OpenFOAM ,开发了湍流扩散燃烧的火焰面模型求解器,对轴对称湍流射流 CH 4 /Air 扩散燃烧进行了数值模拟。采用 14 组分、 19 步甲烷有限速率化学反应机理,根据 DF-PCM 火焰面方法,利用非稳态层流扩散火焰求解层流火焰面方程,得到 Z-C 双标量建表的火焰面数据库,并结合混合物分数 Z满足β分布,假定反应进度变量的条件概率密度、标量耗散率χ满足对数正态分布的假定概率密度函数,建立了湍流扩散燃烧的火焰面数据库。通过将湍流扩散燃烧的查表求解过程与 OpenFOAM 计算平台相结合,充实了其化学反应求解的相关模块。计算结果表明,本文发展的程序能够在大大提高计算速度的同时,计算得到的火焰面形态、温度场、组分场分布都能与实验值较好的吻合。关键词: 湍流扩散燃烧,火焰面模型, OpenFOAM ,数值模拟 0 前言对于描述平均化学反应速率的燃烧模型,无论是涡旋破碎模型、 BML 模型还是快速反应的假定概率密度函数的燃烧模型,都假定化学反应是瞬时完成的,湍流扩散是决定燃烧速率的控制过程。在这种模型中,完全没有考虑到具体的化学反应机理,因此只适用于简单的化学反应系统。但许多“慢反应”的时间尺度可能和扩散过程的时间尺度处于的数量级,因此在数值模拟中需要同时考虑扩散过程和有限化学反应速率的影响, 火焰面模型就是其中的一种[1]。火焰面模型的物理图像是,在燃烧场中通过求解一个没有化学反应源项的标量(如扩散燃烧场中的混合物分数 Z ),以确定火焰面的位置(层流燃烧)或在某些位置上出现火焰面的概率(湍流燃烧) ;火焰面就是一个很薄的化学反应—扩散层,对火焰面方程进行坐标变换,用不受化学反应影响的标量作为火焰面垂直方向的坐标,可得一个在标量空间中受标量耗散率影响的火焰面方程。求解这个方程可得到各种化学热力学参数(组分浓度、温度等)随标量耗散率变化得函数关系。用火焰面出现的概率对火焰面方程的解进行统计,即可得到燃烧场中各种化学热力学参数的平均值[2] 。对于部分预混燃烧,近年来国际上发展了一系列基于混合物分数和反应进度的双标量建表的火焰面方法。这些研究通过增加反应进度变量,实现对混合过程和反应过程分别进行描述,更好的符合了部分预混燃烧的特点, 得到了更好的模拟结果。图 0 CH4 湍流射流火焰实验装置示意图本项目受国家自然科学基金( )资助其中代表性的有 FPV 、FGM 、 FPI 等方法,这些方法通常与假设的条件矩方法 PCM 相结合,以描述复杂燃烧现象。计算软件平台 OpenFOAM 的全称是 Open Field Operation and Manipulation ,其前身为 FOAM ,后来作为开源代码公布到网上,任何人都可以自由下载和传播其源代码[3] 。 OpenFOAM 软件可以模拟复杂流体流动、化学反应、传热分析等现象,还可以进行结构动力学分析、电磁场分析以及金融评估等。其核心技术为一系列的高效