甲烷燃烧火焰反应羽流的直接数值模拟(附件)【字数：12965】
摘 要摘 要燃烧在能源与动力工程领域里的应用非常普遍。在各种动力设备，例如内燃机，锅炉，燃气轮机等中都存在着燃烧。在这些燃烧过程中通常都存在着湍流燃烧，湍流流动与化学反应过程相互影响，使得燃烧变得十分复杂。通过对湍流燃烧的研究与分析，进而实现提高燃烧效率，降低污染物的排放，发展新型燃烧技术。直接数值模拟不需要对湍流燃烧建立近似模型，就能够分辨精细的时间尺度和空间尺度，并且最后的模拟结果具有良好的精确度。本文基于FDS软件，运用直接数值模拟方法来对甲烷燃烧火焰反应羽流进行研究分析。分析了甲烷燃烧过程中火焰结构形态、密度、温度场、速度场、热释放率、甲烷的质量分数等物理量的变化规律，其结果认为（1）在甲烷燃烧过程中，流场中会产生大涡结构。大涡结构在轴线方向上的运输会使整个流场发生周期性运动变化。（2）反应流场中心的密度较低，外侧密度较高。流场下游的温度差较大，大涡结构中的温度分布比较复杂。羽流中最大速度区域沿着中心轴线发生变化，流场中心的速度比外侧要大。（3）由于外界没有产生干扰，反应流场的密度场，温度场，速度场分布都是关于几何中心对称。（4）热释放率最终稳定在一定范围内波动。火源位置附近的甲烷质量分数最高。关键词甲烷燃烧；反应羽流；火焰；直接数值模拟
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究目的及意义 1
1.2研究现状 2
1.2.1湍流预混火焰的研究现状 2
1.2.2湍流扩散火焰的研究现状 4
1.3本文主要研究内容及章节安排 5
第二章 直接数值模拟方法 7
2.1 FDS软件简介 7
2.2控制方程 7
2.3直接数值模拟的控制运输系数 8
2.4数值方法 9
2.5燃烧模型 9
2.6求解过程 10
2.7本章小结 11
第三章 物理模型的建立 12
3.1物理模型 12
3.2网格划分 12
3.3火源设置 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.4边界设置 13
3.5本章小结 13
第四章 甲烷燃烧火焰反应羽流的计算结果与分析 15
4.1密度场分析 15
4.2温度场分析 17
4.3速度场分析 24
4.4单位面积热释放率 27
4.5甲烷燃烧质量分数 30
结论 34
致谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 研究目的及意义
甲烷在自然界中是常见的气体，也是天然气、沼气等的主要成分。甲烷是一种优质的燃料，其充分燃烧生成水和二氧化碳，对环境污染较少。因此甲烷作为清洁能源，被广泛应用于生产生活等各个领域。
甲烷最主要的化学反应就是燃烧，研究甲烷燃烧的意义十分明显。一般而言，燃烧主要发生在气相当中，我们把气相状态下发生燃烧的外部表现称为火焰。火焰传播中较为常见的一种方式为湍流燃烧，在这种燃烧过程中，湍流流动过程和化学反应过程有着强烈的相互关联和相互影响。湍流通过强化混合而影响时平均化学反应速率，而化学反应放热过程又影响湍流。合理考虑湍流与复杂化学反应的相互作用，对于湍流燃烧及其污染物生成的模拟以及发展高效能低污染的燃烧技术具有重要意义。
火焰一般分为两种，射流火焰和浮力控制火焰。在燃烧火焰中，通常把火源上方的火焰和燃烧以后生成的烟气流动称为火焰羽流。火焰燃烧可以分为两部分，一个是靠近火源在火源上方区域形成的不间断的火焰，另一个是往上一段距离所出现的间断火焰。在以往火焰羽流的研究中，把火源上方不间断的火焰区域称为连续火焰区域，上方间断出现火焰的区域称为间歇火焰区域。火焰燃烧的上方是烟气的羽流区域，一般是通过浮力来控制烟气羽流区的全部流动，所以也把它称为浮力羽流区域。所以火焰羽流结构分为连续火焰、间歇火焰和浮力羽流三个部分。在一定燃烧的条件下，燃料的质量损失率和燃烧所需要的空气量是一定的，所以在某一特定高度的羽流，其质量流率主要由羽流对于周围环境中空气的卷吸能力决定。火焰羽流是通过浮力所产生的，它和火源的热释放率的大小密切相关，具有较强的湍流性质，火焰羽流向上运动进行质量和能量的传递。
计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是一门随着计算机发展而产生的综合数学、流体力学、计算机科学等多种学科的交叉学科[1]。它通过数值计算方法来直接求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。CFD被运用于湍流燃烧领域开始于上世纪八十年代。CFD在湍流燃烧领域的研究主要分为两个方面。一个是在理论方面的研究，运用CFD来分析湍流与燃烧的相互作用，帮助学者建立新的燃烧模型，处理边界条件和壁面等方面的问题。二是在应用方面的研究，目前在内燃机燃烧过程数值模拟、航空发动机模拟、锅炉燃烧器及炉膛的冷态和热态模拟等各种能源动力工程领域中都运用到了CFD。
在CFD的两个方面的研究，最主要的是在理论方面的研究。理论研究可以直接或者间接指导实际运用，有助于学者创造提出新的湍流燃烧模型并提供数据验证。目前有三种主要的CFD方法：第一种方法为大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES），在大涡模拟中通过某种滤波方法把流动分为大涡和小涡两部分运动，通过数值求解运动微分方程直接计算得到大涡的运动规律，对于小涡运动则采用建立模型来模拟。这种方法，并不能微观细致地阐明湍流与燃烧的相互作用机理，只能对个别现象进行理论分析。第二种方法是雷诺平均数值模拟（Reynolds Averaged NavierStokes equations, RANS），它通过建立湍流模型和湍流燃烧模型把时均化的控制方程进行封闭，不需要计算各个尺度湍流脉动，只需要对平均运动进行计算，所以这种模拟的时间和空间精度并不高，不能被普遍适用。
第三种方法就是直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）。直接数值模拟不需要对湍流燃烧建立模型，这样就不会引入模型误差，通过直接求解NavierStokes方程就可以获得湍流运动的全部信息，原则上利用直接数值模拟可以解决所有的湍流问题。经过多年来的完善发展，直接数值模拟方法已经被认为是研究湍流燃烧的重要方法之一。但是直接数值模拟也有其自身的不足。直接数值模拟对于时间、空间的分辨率要求高，因此必须用十分精细的网格计算，所以计算量大，耗时长。直接数值模拟也对边界条件要求特别，需要对边界进行特殊处理。还有它只能模拟简单的几何边界湍流运动。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究目的及意义 1
1.2研究现状 2
1.2.1湍流预混火焰的研究现状 2
1.2.2湍流扩散火焰的研究现状 4
1.3本文主要研究内容及章节安排 5
第二章 直接数值模拟方法 7
2.1 FDS软件简介 7
2.2控制方程 7
2.3直接数值模拟的控制运输系数 8
2.4数值方法 9
2.5燃烧模型 9
2.6求解过程 10
2.7本章小结 11
第三章 物理模型的建立 12
3.1物理模型 12
3.2网格划分 12
3.3火源设置 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3.4边界设置 13
3.5本章小结 13
第四章 甲烷燃烧火焰反应羽流的计算结果与分析 15
4.1密度场分析 15
4.2温度场分析 17
4.3速度场分析 24
4.4单位面积热释放率 27
4.5甲烷燃烧质量分数 30
结论 34
致谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 研究目的及意义
甲烷在自然界中是常见的气体，也是天然气、沼气等的主要成分。甲烷是一种优质的燃料，其充分燃烧生成水和二氧化碳，对环境污染较少。因此甲烷作为清洁能源，被广泛应用于生产生活等各个领域。
甲烷最主要的化学反应就是燃烧，研究甲烷燃烧的意义十分明显。一般而言，燃烧主要发生在气相当中，我们把气相状态下发生燃烧的外部表现称为火焰。火焰传播中较为常见的一种方式为湍流燃烧，在这种燃烧过程中，湍流流动过程和化学反应过程有着强烈的相互关联和相互影响。湍流通过强化混合而影响时平均化学反应速率，而化学反应放热过程又影响湍流。合理考虑湍流与复杂化学反应的相互作用，对于湍流燃烧及其污染物生成的模拟以及发展高效能低污染的燃烧技术具有重要意义。
火焰一般分为两种，射流火焰和浮力控制火焰。在燃烧火焰中，通常把火源上方的火焰和燃烧以后生成的烟气流动称为火焰羽流。火焰燃烧可以分为两部分，一个是靠近火源在火源上方区域形成的不间断的火焰，另一个是往上一段距离所出现的间断火焰。在以往火焰羽流的研究中，把火源上方不间断的火焰区域称为连续火焰区域，上方间断出现火焰的区域称为间歇火焰区域。火焰燃烧的上方是烟气的羽流区域，一般是通过浮力来控制烟气羽流区的全部流动，所以也把它称为浮力羽流区域。所以火焰羽流结构分为连续火焰、间歇火焰和浮力羽流三个部分。在一定燃烧的条件下，燃料的质量损失率和燃烧所需要的空气量是一定的，所以在某一特定高度的羽流，其质量流率主要由羽流对于周围环境中空气的卷吸能力决定。火焰羽流是通过浮力所产生的，它和火源的热释放率的大小密切相关，具有较强的湍流性质，火焰羽流向上运动进行质量和能量的传递。
计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是一门随着计算机发展而产生的综合数学、流体力学、计算机科学等多种学科的交叉学科[1]。它通过数值计算方法来直接求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。CFD被运用于湍流燃烧领域开始于上世纪八十年代。CFD在湍流燃烧领域的研究主要分为两个方面。一个是在理论方面的研究，运用CFD来分析湍流与燃烧的相互作用，帮助学者建立新的燃烧模型，处理边界条件和壁面等方面的问题。二是在应用方面的研究，目前在内燃机燃烧过程数值模拟、航空发动机模拟、锅炉燃烧器及炉膛的冷态和热态模拟等各种能源动力工程领域中都运用到了CFD。
在CFD的两个方面的研究，最主要的是在理论方面的研究。理论研究可以直接或者间接指导实际运用，有助于学者创造提出新的湍流燃烧模型并提供数据验证。目前有三种主要的CFD方法：第一种方法为大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES），在大涡模拟中通过某种滤波方法把流动分为大涡和小涡两部分运动，通过数值求解运动微分方程直接计算得到大涡的运动规律，对于小涡运动则采用建立模型来模拟。这种方法，并不能微观细致地阐明湍流与燃烧的相互作用机理，只能对个别现象进行理论分析。第二种方法是雷诺平均数值模拟（Reynolds Averaged NavierStokes equations, RANS），它通过建立湍流模型和湍流燃烧模型把时均化的控制方程进行封闭，不需要计算各个尺度湍流脉动，只需要对平均运动进行计算，所以这种模拟的时间和空间精度并不高，不能被普遍适用。
第三种方法就是直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）。直接数值模拟不需要对湍流燃烧建立模型，这样就不会引入模型误差，通过直接求解NavierStokes方程就可以获得湍流运动的全部信息，原则上利用直接数值模拟可以解决所有的湍流问题。经过多年来的完善发展，直接数值模拟方法已经被认为是研究湍流燃烧的重要方法之一。但是直接数值模拟也有其自身的不足。直接数值模拟对于时间、空间的分辨率要求高，因此必须用十分精细的网格计算，所以计算量大，耗时长。直接数值模拟也对边界条件要求特别，需要对边界进行特殊处理。还有它只能模拟简单的几何边界湍流运动。
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