湍流燃烧中放热对湍流的影响机制研究.pdf

中国．Jj程热物理学会 燃烧学 2006年学术会议 编号：064140 J 湍流燃烧中放热对湍流的影响机制研究 杨武兵张会强王希麟郭印诚林文漪 北京·清华人eCY．程力学系(100084) Tel：627721 摘要：采用人涡模拟方法模拟r q1烷，氧气(氮气)菲预混、F面湍射流燃烧，研究了放热对湍流 的影f响机制，放热对湍流的影I向存在强化和削弱两种作用．在湍流发展阶段，层流化作用占主导 作用，从而削弱湍流，而舀：湍流充分发艘阶段，放热为湍流运动提供额外的动能，维持较高的剪 切速度占主导作用。从I『l：i强化湍流。 关键词：1F预混平面湍射流燃烧；大涡模拟：放热 1．引言： 湍流燃烧中，流动和化学反应具有强：{卜线性耦合大系，其中化学反应通过放热影响 流的发展，尤其在小尺度水平上有抑制作用，放热无论是对大尺度还是小尺度湍流结构 影响，指出混合层不稳定性由放热引起的不稳定性和入口尖劈处的不稳定性共同构成， 而且其模拟表明放热引起的不稳定性基本控制了流动的混合行为。这些研究．1：作表明了 放热会影响流动，但也因为湍流燃烧的复杂性，放热对湍流流动具体的影响机制仍然有 ‘‘ 待深入研究。 火涡模拟方法虽然对混合分数的预报结果稍微偏大，但平均温度、物质浓度与实验结果 符合甚好，说明人涡模拟在燃烧预报方面具有较高的准确度，是研究湍流燃烧的有效一_r= 具。其它一些文献的．I：作也表明了这点。所以本文用大涡模拟方法模拟了甲烷／氧气(氮 气)1卜预混平面湍射流燃烧，并研究了放热对湍流的影响机制。 2．计算工况简介： 本文以甲烷／氧气(氮气)非预混平面湍射流燃烧为研究对象，计算J：况和各坐标轴 速度剖呖在剪切层附近为舣曲止切分布，其动苗厚度设为60=d／15。为促进湍流发展，在 入El流向速度上附加均值为零，方筹为5×10之的高斯分布的随机扰动，入口横向速度上 ’ 叠加余弦形式的扰动，如(1)所示。 515 (1) 氧化剂由50％02和50％N2组成，由伴流流体携带进入流场，其温度死。同样为500K。 密处hAlO．02d，而最疏处为Aye0．23d，无量纲时间步艮为Ate3x10一。 对甲烷的燃烧过程，采埘文献14】中所述的简化的四步反应机理，采用单位Lewis数， 该：1：况记为Hl。此外，为研究放热对湍流的影响，另外设计了两种．1j况，一是将反应 放热限制为Hl为60％，并记为H2，_二是不考虑反应放热对密度的影响，即等密度流动， 并记为H3。 -Uw ，，-’。 氧化齐』；三．，一一一_一一一”．耕剿三‰一一，／’一一一 燃料=：U ’tt 一’一一。 靴剂萋=～。_～～二，：u一 。 ～一“一一、， 控制方程和求解方法： 将各速度量平¨长度量分别以射流入口中心速度％。和射流宽度d无量纲化，时间尺 度相席的以to=d／Uj。无鼙纲化，对湍流燃烧的基本控制方程以△=(删1尼为滤波尺度进 行盒子式Favre滤波，可以得到如下形式的直角坐标系下的控制方程组。 望+旦婴：o Ot 瓠j af ％