湍流非预混火焰中热辐射影响的数值研究

论文摘要

本文致力于用概率密度函数方法（PDF）研究湍流辐射交互作用（TRI）、用PDF方法联合求解辐射传递方程（RTE）的有限体积法（FVM）研究湍流非预混（Non-premixed）火焰中热辐射对温度场、组分浓度场的影响。 有关高温湍流反应流中热辐射影响的详细数值模拟要求考虑湍流辐射交互作用（TRI），而具体数值工作中对TRI的模拟实际就落实在一系列脉动关联项的求解上。在现有的计算水平下，传统的对脉动关联项建立偏微分方程的二阶矩方法是不成功的。迄今为止，PDF方法被认为是唯一有实际应用价值的模拟TRI的方法。本文的一个论题就是采用PDF方法模拟TRI，通过具体的算例数值研究引起TRI的主导因素，并且分析影响TRI在热辐射中地位的因素。 本文的另外一个重点是研究湍流非预混火焰中热辐射的影响，选取了Sandia实验室的火焰D和火焰L作为模拟算例。作为准备工作，在本文的开篇部分介绍了作为辐射传递方程（RTE）求解器的有限体积法（FVM）在直角坐标／柱坐标、结构／非结构网格中的实现。同时也介绍了吸收系数的各求解模型，特别介绍了关联k分布模型和气体辐射“灰”处理的普朗克平均吸收系数概念，并且通过具体算例，体会了气体辐射的非“灰”属性。 在Sandia火焰L中热辐射影响的模拟中，采用非结构网格下的相容混合算法FVMC2D来模拟湍流过程和燃烧过程、FVM／普朗克吸收系数方法计算辐射项，首次在FVMC2D中实现了湍流、燃烧、辐射换热之间的耦合，热辐射计算中考虑了TRI的影响，最后通过对计算结果的分析，讨论了热辐射的影响，特别是热辐射对温度场的影响。在FVMC2D中，采用基于颗粒（Lagrangian）的Monte Carlo法求解脉动速度—频率—组分联合PDF方程、有限体积（FV）方法来求解Reynolds平均的质量、动量和能量方程。 在Sandia火焰D中热辐射影响的模拟中，采用多时间尺度（MTS）κ-ε模型模拟湍流流动，求解混合物分数的PDF输运方程、Lagrangain火焰面模型结合的方法模拟燃烧过程，FVM／CK计算热辐射项，模拟过程中详细考虑了TRI。最后通过将数值结果和实验数据的比较，讨论了热辐射对温度场以及组分浓度场的影响，并对数值计算捕捉到的一些现象做了解释。在这个算例中，混合物分数的PDF输运方程采用基于节点（Eulerian）的Monte Carlo方法求解。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 湍流燃烧的模拟
• 1.2.1 直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）
• 1.2.2 概率密度函数（PDF）方法
• 1.2.3 基于守恒标量的模型
• 1.3 辐射传递方程（RTE）的求解模型
• 1.3.1 区域法
• 1.3.2 热流法
• 1.3.3 P-N法
• 1.3.4 离散坐标法
• 1.3.5 有限体积法
• 1.3.6 蒙特卡洛法
• 1.3.7 离散传递法
• 1.4 辐射物性参数的求解
• 1.4.1 逐线积分
• 1.4.2 谱带模型
• 1.4.3 关联k分布模型
• 1.4.4 灰气体加权模型
• 1.5 湍流辐射交互作用（TRI）
• 1.6 本文工作
• 第二章 求解RTE的有限体积法在结构以及非结构网格中的实现
• 2.1 有限体积法
• 2.1.1 直角坐标系下的有限体积法
• 2.1.2 柱坐标系下的有限体积法
• 2.2 FVM在非结构网格中的实现
• 2.3 本章小结
• 第三章 辐射物性参数的模拟
• 3.1 气体“灰”处理—普朗克平均吸收系数
• 3.2 气体辐射的光谱依赖性
• 3.2.1 气体辐射的谱线
• 3.2.2 非灰气体的窄谱带关联k分布模型
• 3.3 有关气体辐射光谱依赖性的讨论
• 3.3.1 模拟算例
• 3.3.2 辐射换热光谱依赖性研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 湍流辐射交互作用
• 4.1 简介
• 4.2 湍流辐射关联项（?）
• 4.3 结果与讨论——对一些认知的检验
• 4.3.1 湍流辐射的主导因素
• 4.3.2 光学厚度对湍流辐射的影响
• 第五章 PDF/MC与求解辐射传递方程的FVM法耦合研究湍流燃烧温度场
• 5.1 简介
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 REYNOLDS平均方程
• 5.2.2 颗粒方法
• 5.2.2.1 颗粒脉动速度模型
• 5.2.2.2 湍流频率模型
• 5.2.2.3 湍流混合模型
• 5.3 辐射模型——FVM/PLANK平均吸收系数
• 5.4 非结构网格
• 5.4.1 三角形单元的形函数
• 5.4.2 颗粒的定位
• 5.4.3 节点与颗粒之间的数据传递
• 5.5 LAGRANGIAN MONTE CARLO方法
• 5.5.1 运动方程
• 5.5.2 脉动速度随机方程
• 5.5.3 湍流频率随机方程
• 5.5.4 化学热力学参数的确定性方程
• 5.6 数值过程流程图
• 5.7 计算结果和讨论
• 5.8 本章小结
• 第六章 PDF及Flamelet结合求解RTE的FVM研究Sandia火焰D中热辐射的影响
• 6.1 SANDIA值班湍流非预混射流火焰
• 6.2 数学模型
• 6.2.1 流动简化以及输运方程
• 6.2.2 湍流模型——多时间尺度κ-ε湍流模型
• 6.2.3 燃烧模型——求解混合物分数的PDF输运方程耦合非稳态火焰面模型
• 6.2.3.1 非稳态火焰面模型
• 6.2.3.2 PDF方法和非稳态火焰面模型的耦合
• 6.2.3.3 辐射模型——FVM/CK
• 6.3 数值方法以及计算流程
• 6.4 计算结果以及讨论
• 6.4.1 TRI对热辐射的影响
• 6.4.2 热辐射对燃烧模拟结果的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表和接收的论文