非预混层流火焰模型

层流火焰模型层流火焰模型通过把离散，定常层流火焰叫做小火焰，.并用之近似模拟紊流火焰。我们假定作为个体的小火焰和简单结构的层流火焰拥有相似的结构，而小火焰是由计算或实验的得到的。在prePDF中使用具体的化学机理，prePDF就可以在非预混燃烧中计算逆向层流扩散小火焰。并通过使用静态pdf法将层流小火焰包含于紊流火焰中。层流小火焰近似法的优点在于能够将实际的动力效应融合在紊流火焰之中。如在14.3中提到的平衡方法，就可以预处理化学性质，这将节省大量的计算时间。然而，层流小火焰法局限用于相对高速的化学反应中。我们认为，在瞬间内，小火焰就能够对空气动力学应变有所反映。因此，这种模型就不能够充分表现如点火，熄火和如Nox这一类反应速度缓慢的化学反应。关于混合分数模型的知识请查看第14.1节。14.4.1简介。在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短，当地不平衡性增加。层流小火焰模型适合预测中等强度非平衡化学反应的紊流火焰，而不平衡性是由于紊流所产生的空气动力学应变引起的。然而，化学反应能够迅速的对例如应变松弛和对平衡能力的化学松弛等应变作出迅速的反应。当化学反应时间尺度和流体运输时间尺度相当时，火化中心被认为是达到全局化学不平衡，这些反应包括Nox的形成和低温CO的氧化。层流小火焰模型不适合于反应速度缓慢的燃烧火焰。相反的，应当使用轨道颗粒假设(如Nox模型)，或是用EDC模型（相见13.1.1）。14.4.2假设与限制条件在fluent中所有运用小火焰模型都必须遵循以下的假设：a,在模型中只能单混合分数，双混合分数模型是不允许的。b.假定混合分数遵守-函数pdf，标量耗散遵循双δ方程pdf。c.以经验为基础的气流不能用小火焰模型。14.4.3小火焰的概念概述小火焰模型认为紊流是由紊流流动区域内的很薄的局部的一维的层流小火焰构成【27，176，177】（见图14.4.1）。用来逆向扩散火焰来表示紊流小火焰中的层流火焰。这幅图表示的是流向相对的轴对称的燃料喷嘴和氧化剂射嘴的示意图。当喷嘴的距离减少或射流速度增加时，火焰就会变形，并偏离化学平衡直至最终消失。我们可以从逆向层流扩散火焰试验中得到质量分数和温度区域，一般是计算得出。对于后者，由于存在自相似，控制方程能够简化为一维形式，这样，可以实现完全化学反应的计算了。在逆向层流火焰中，混合分数f（详见14.1.2）从燃油喷嘴开始到氧化剂喷嘴处开始单调的递减至0。假如质量分数和温度反映混合分数与实际空间相关，他们就能够用唯一的混合分数和应变率(等效地标量耗散，详见14.4-2)这两个变量来描述。从而，就可以用两个参数f和来完全表述化学反应。这种把化学反应用f和这两个参数完全描述的方法使小火焰计算能够进行预处理，并被储存在表中。过对化学反应的预处理，可以大大减少计算时间。平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。应变率及梯度耗散对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义：as=v/2d，v是燃料和氧化剂的速度，d是喷嘴口之间的距离。替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用.来表示的标量耗散就很方便。标量耗散定义如下：(14.4.1)这里的D代表相对应的扩散系数。我们应当注意的是标量耗散项随着小火焰的轴向变化。对于逆流结构而言，在【176】中提到，小火焰的应变率as与f相关。(14.4.2)=标量耗散，在处as=特征应变率=化学当量混合分数=反erf函数在物理上而言，当火焰变形时，反应区的宽度减小，在化学恰当比的位置（）处f的梯度增加。那就用瞬间的标量耗散作最主要的非平衡参数。其量纲是s–1，可以认为其是特征耗散时间的倒数。在的极限时，化学反应趋于平衡，随着的增加，非平衡性增加。当超过极值点时发生小火焰的局部淬息现象。嵌入到紊流火焰中的层状小火焰s。紊流火焰刷（turbulentflamebrush）以离散的层状小火焰维模型。因此，对于绝热系统，在小火焰模型中物质分数和温度完全是f和的函数，在紊流火焰中的温度和物质分数可以如下确定：(14.4.3)是典型标量如物质分数，温度，密度等。在prePDF中，假定f和在统计学上是相互独立，因此相关的表达式就可以简化为。认为PDF形式是pf，而在fluent中用关于和的运输方程来确定pf.。双δpdf中，和PDF一样，假定由其前面两个力矩（monent）确定。第一力矩即平均标量耗散在fluent中的定义如下：(14.4.4)假定是值为2的常数。在prePDF中，定义标量耗散方差为常数。根据参考文献【27】，在实际运用中我们可以忽略标量耗散的脉动。但值得注意，沿着标量耗散坐标方向，若使用非零的标量耗散系数可以的到更加平滑的曲线。为了在fluent中避免PDF卷积，在prePDF中对公式14.4.3整合进行预处理，并存处在列表中。对于绝热流，单小火焰表中有两个量纲：和，复合小火焰表中则多了一个。对于非绝热流体，我们还需要有焓的函数。然而，在焓值较大的范围内进行小火焰的计算，其计算费用很高。所以我们就必须做一些近似。我们假定系统的热损/得热对质量分数的影响可以忽略不计，在【20，164】中使用了预先指定焓值处的小火焰质量分数。在一定范围热焓得失()的范围内，由式14.1-14得出温度。相应的，平均温度和密度的PDF表与平均焓值相关。在prePDF中，你可以自己定义，也可以从其他已存在的文件中导入。包括OPPDIF[147],RIF[8,9,181]和RUN-1DL[179].在PrePDF中可以导入OPPDIF格式的小火焰文件和其它标准格式的小火焰文件。生成和导入小火焰的方法详见14.4.4和14.4.5。14.4.4小火焰的生成。可以把逆向层流扩散火焰方程空间格式转化为以混合分数（f）为变量的形式[182]。在prePDF中，解一系列被简化后的f函数方程【181】。在这里，由N方程解质量分数Yi,(14.4.5)由公式计算温度(14.4.6)在方程14.4-5和14.4-6中的变量为Yi,T,,f式第I个质量分数，温度，密度和混合分数。是第I个Lewis数，具体定义在13.1-4中。k,cp,i,和cp相应的是热导率，第I种的比热和混和平均比热。Si是第I种物质的反应速率。H*I是第I种物质的比焓。耗散标量必须在小火焰中定义。公式14.4-2的变形形式在【114】中使用。(14.4.7)方程14.4-6中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。是Stefan-Boltzmann常数，p是压力，Xi是第I种物质的摩尔分数，aI是Planck平均吸收系数(见【83】)的多项式系数。Tb是背景（无穷远处）温度。使用辐射项可以稍为提高准确性，但在低应变率下会导致发散。因此，使用这一项应该小心谨慎。cai！！尽管在prePDF中可以考虑微分扩散作用，但fluent中的缺省值为。当激活Lewis数后，Lewis数自动按照时13.1-4计算。由于混合分数的计算形式有很多简化，因此按缺省定义可以得到较满意的结果。我们推荐使用缺省值，尤其时如H2这一类非常容易扩散的物质。你可以调整离散混合分数间隔的网格点。因为物质分数和温度是用耦合，隐式的方法解的，随着f网格点的数量的增加，计算的时间和所需要的内存的量大大增加。推荐使用中等大小的值。在prePDF中提供参数用以控制解方程14.4-5和14.4-6的稳定性。当计算发散时，可以调节两个增长因子。非绝热层流prePDF对于非绝热小火焰，prePDF遵循【20，464】中的近似并假设小火焰的剖面线不受小火焰中的热损/得热的影响。这样处理是恰当的并始终如此处理。进一步讲，不需要生成特殊的非绝热小火焰剖面，这避免了令人讨厌的预处理步骤。此外，prePDF和FLUENT与其他的外部小火焰格式（OPPDIF,RIF,RUN-1DL）的兼容性保持不变。这样做的缺点时没有考虑到物质分数的热损失的作用。此外，没有考虑熄火极限的影响。在平衡非预混燃烧模型中，温度的极限为和。对非绝热小火焰模型，这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。下限是在点(f,)和的小火焰解的温度的最小值，此下限不能低于在计算小火焰中所用的当地随地温度:(14.4.8)温度上限曲线由用户所定义的最高环境温度的最大值（）的极值计算得到。既是小火焰计算式在点f和点的值:(14.4.9)里f混合分数耗散标量当地最低温度最大值（例如，热壁或进口）由于若素所引起的最大温降超过绝热温度曲线的最大温升小火焰轮廓线的温度绝热（平衡）火焰温度当flamlet生成以后，小火焰剖面是很难解的，在fluent中被制成表格可以查询。你可以在查询表中确定。假定焓损焓升和标量耗散不变。在PDF中有如下选项：for=0(i.e.,equilibriumsolution)for0当fluent计算过程中，解了平均混合分数，混合分数方差和平均焓的方程标量耗散域从紊流域和混合分数方差中计算得出，单位温度，密度和物质分数的平均值可由PDF选项单中的得到。14.4.5小火焰的导入在fluent中可以导入一个或多个小火焰文件，以默认PDF形式来恢复这些小火焰（见公式14.4-3）。从而在fluent中建立查询表供使用。你可以在prePDF中定义，或使用其他程序生成小火焰文件我们可以读入两种格式小火焰文件到prePDF中去：由OPPDIF生成的二进制文件[147]和在14.4.6节和Peters和Rogg的【179】中所提到的标准形式小火焰在如OPPDIF中的物理空间中生成后，物质量和温度是在空间方向上变化。但是物质量和温度必须从物理空间转换到质量分数所描述的空间中去。如果所有的物质的扩散细数相等，则存在唯一的混合分数。然而，对于不同的扩散系数，混和系数可以用一系列的变量来表示。对于层流小火焰，prePDF提供了四种方法计算混合分数。.C和H的平均值：参考Drake和Ｂlint的观点[54]，混和分数可以由和的平均值得出，这里的和是指碳和氢的质量分数。.碳氢混合物模式：根据Bilgeretal.[19],可以按一下公式计算混合分数：(14.4.10)其中：(14.4.11),,是碳，氢，氧的质量分数，,,和分子量。和氧和碳的进口ｂ值。•氮计量法:按下面的式子，通过氮的物质分数来计算混合分数:(14.4.12)是沿小火焰变化的氮元素的物质分数,是在氧化剂进口处氮的物质分数,是在燃料进口处的氮的物质分数.•从标准格式文件中输入:这种形式是对在混合分数所表示的空间内的小火焰而言的.如果你使用这种方法，prePDF将自动寻找混合分数的关键词：Z（这在[179]有详细的说明），并取得数据.如果prePDF没有在小火焰文件中找到混合分数的数据,就将使用如下所描述的碳氢化合物公式法。复合小火焰数据以固定的比率变化;物质和边界条件必定是相同的。复合小火焰的格式如下:•OPPDIF格式:在OPPDIF说明中必须使用关键词来标注生成复合小火焰的OPPDIF格式.另外，你可以通过使用prePDF来将多个单小火焰OPPDIF文件合并成复合小火焰OPPDIF。•标准格式:如果你有一系列的标准小火焰模型文件,你就应当手工将其合并成为复合小火焰模型文件(使用文本编辑器或UNIXcat命令来合并生成文件)。当你将合并得到的文件导入prePDF时,prePDF会寻找关键词HEADER并计算其数量以决定小火焰的总数量.对于其他类型的文件,prePDF小火焰轮廓线的数量并按升序排列.在物理空间中生成的小火焰模型,你可以选择四种方法中的一个来计算混合分数.根据应变率，使用公式14.4-2来计算标量耗散.14.4.6层流小火焰模型的输入项先面介绍如何对得到的或导入的小火焰模型使用prePDF的方法得到PDF列表，并介绍相关的文件及格式。用生成的层流小火焰模型得到PDF