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1、簧炉窑热工工业加热第40卷2011年第3期DOI: 10.3969/j. issn. 1002-1639.2011.03.010PaSR湍流燃烧模型对典型湍流射流火焰的数值模拟黄成，超平辉，叶桃红(中国科学技术大学热科学与能源工程系，安徽合肥230027)摘要：采用PaSR湍流燃烧模型对湍流燃烧研究中典型的甲烷湍流射流火焰进行了数值模拟。计算采用简化的化学反应机理，并将 计算得到的平均温度场、速度场和各组分的分布与相应的权威实验数据进行了对比。对反应系统中流动和燃烧的不同时间尺度以及 二者之间的关系作了探讨。计算结果表明，PaSR模型能够很好地模拟燃烧过程中流场和组分的变化。在火焰面附近，由于
2、流动时 间尺度与燃烧的时间尺度量级相当，局部混合作用在决定燃烧过程和火焰结构中发挥重要作用。基于PaSR模型的时间尺度分析与 湍流火焰理论中火焰/涡旋相互作用的图谱是一致的.关馋词：湍流扩散火焰；PaSR;数值模拟中图分类号：TF058文献标志码：A文章编号:1002-1639(2011 )03-0033-06Numerical Simulation of Typical Turbulent Jet Flames by PaSR ModelHUANG Wei, ZHAO Ping-hui, YETao-hong(Depl of Thermal Sci. and Energy Engr., Un
3、iversity of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)Abstract： Several typical turbulent methane-air jet flames used in the research of turbulent combustion are simulated by the PaSR model with a reduced detailed chemical kinetics. Modeled results are validated by a group of correspondin
4、g authoritative experimental data The mean distributions of the temperature, velocity and species concentration are compared DifTerent time scales of flow and combustion in these reacting systems, as well as the relation between mixing and combustion process are also investigated The computational r
5、esults indicate that the PaSR model can satisfactorily predict the changes in flow field and species concentrations during the course of a reaction. It is found that the local mixing progress play a dominant role on combustion process and flame structure near the flame surface, where the time scale
6、of flow is comparable to it of combustion The analysis based on PaSR model is consistent well with the flame/vortex interaction spectral diagram in the turbulent flame theoryKey words： turbulent difYusion flame; PaSR; numerical simulation33簧炉窑热工工业加热第40卷2011年第3期33簧炉窑热工工业加热第40卷2011年第3期燃烧过程是当今世界能源生产中必不
7、可少的环节，绝 大多数的能源生产设备都基于化石燃料或可再生燃料的 燃烧进行工作。同时，交通运输系统所依赖的内燃机和 燃气轮机也是利用燃烧产生动力。在这些燃烧场中，湍 流状态下的燃烧十分普遍。由于人们对上述系统性能要 求的提高，加之人们日益认识到与燃烧有关的污染物排 放和全球变暧问题，针对这些系统的优化需求也日益增 加。传统的实验测试和原型设计等研究方法成本较高，因 此，数值模拟在湍流火焰研究中的地位变得越来越觅要。 对各种复杂火焰的模拟不仅加深了人们对湍流火焰结构 和机理的理解，也推进了湍流燃烧模型等数值模拟方法 的发展。PSR (Perfectly Stirred Reactor)模型是考虑
8、了详 细化学反应机理的基础模型，其后又发展了许多不同思 路的湍流燃烧模型，其中有代表性的包括Pope等发展 的PDF方法、Peters等发展的火焰面方法等。本文根据新型湍流燃烧模型PaSR (Partially Stirred收穗日期：201)-01-26;修回日期：2011-04-06墓金项目：国家自然科学基金(50776085)作者简介：黄戚981),男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要 从寧湍宛燃烧的数值模拟工作.Reactor)对若干漏流射流火焰的典型算例进行了数值模 拟，计算结果较好地反映了湍流火焰的火焰结构，各标 量场和流场均与实验数据吻合良好。结合模型对计算结 果的分析加深了对甲烷扩
9、散燃烧现象的理解。1湍流燃烧模型本文研究所采用的PaSR模型最早由Golovitche【T等 人在PSR模型的基础上提出的。采用PSR计算化学反应 系统中各组分反应速率的方法假设燃烧场中所有组分充 分混合，其求解是完全基于反应动力学，以致于往往导 致求得的化学反应速率过快：在实际燃烧场中，由于燃 料、氧化剂和中间产物需要足够的时间在分子层面上充 分混合，因此完全良搅拌、基于反应动力学PSR方法只 是理想情况；另外，燃烧产物在燃料-空气混合物中的存 在可以使反应在一定程度上受到燃烧场内湍流涡旋破碎 的影响，该影响会相应造成反应速率的降低。因此，在 实际燃烧场中，化学反应动力学和湍流流动都影响了化 学反应进程的发展，合理的模型应同时考虑这两种因素。PaSR模型是一种更切合实际的模型，其认为燃烧场 中某一点的状态变化可以由两部分组成：一部分是基于33