本文關(guān)鍵詞：層流多維火焰面生成流形方法的研究

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【摘要】：對(duì)于復(fù)雜的包含多組分的燃燒化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng),直接求解詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理方法需要的計(jì)算量通常難以承受,因此需要在�；^(guò)程中采用降低維度的方法來(lái)降低計(jì)算量。固有低維流形(ILDM)和計(jì)算奇異攝動(dòng)(CSP)等方法被引入燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的簡(jiǎn)化計(jì)算中,同時(shí)基于以上思想提出了如火焰固有流形延伸(FPI)以及火焰面生成流形(FGM)等進(jìn)階計(jì)算方法,通過(guò)在原有的ILDM方法基礎(chǔ)上加入了擴(kuò)散等流動(dòng)效應(yīng)的影響,提高了模型模擬的精度。在FGM方法中,通過(guò)計(jì)算火焰面方程生成一系列的低維流形來(lái)捕捉火焰前沿的主要結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的解耦,可以大大簡(jiǎn)化求解燃燒場(chǎng)所需的計(jì)算量�；陬A(yù)混和擴(kuò)散火焰面的FGM方法已經(jīng)被成功地應(yīng)用于層流和湍流火焰數(shù)值模擬中,但對(duì)于受多種火焰機(jī)制控制的復(fù)雜燃燒結(jié)構(gòu),現(xiàn)有的火焰面模型方法無(wú)法準(zhǔn)確還原當(dāng)?shù)氐幕鹧娼Y(jié)構(gòu)。譬如基于擴(kuò)散火焰面的FGM不能模擬部分預(yù)混火焰中的傳播特征,而基于預(yù)混火焰面的FGM無(wú)法捕捉等混合分?jǐn)?shù)面之間的擴(kuò)散過(guò)程。不能較好的反映等混合物分?jǐn)?shù)面之間的擴(kuò)散效應(yīng)。 為了解決以上問(wèn)題,由Nguyen等提出了多維火焰面生成流形的方法�；舅悸窞閺幕瘜W(xué)反應(yīng)流的基本方程出發(fā),得到多維組分空間中的火焰面方程,進(jìn)而發(fā)展為多維火焰面生成流形方法。例如在部分預(yù)混火焰模擬中,可以選取混合物分?jǐn)?shù)Z以及火焰面反應(yīng)進(jìn)度變量E作為組分空間的坐標(biāo)。通過(guò)同時(shí)求解擴(kuò)散項(xiàng)和預(yù)混項(xiàng)對(duì)火焰面方程的貢獻(xiàn)來(lái)捕捉火焰中的部分預(yù)混特征,從而通過(guò)增加求解維數(shù)的方法提高了火焰面模型的精度。該模型可以較好地處理擴(kuò)散和預(yù)混兩個(gè)不同的火焰特征,能夠更好地用于部分預(yù)混火焰的數(shù)值模擬。 本文采用火焰面坐標(biāo)變換的方法,對(duì)常用的一維化學(xué)熱力學(xué)建表方法,如層流穩(wěn)態(tài)火焰面模型、預(yù)混火焰面生成流形方法等進(jìn)行了詳細(xì)分析,驗(yàn)證了不同建表方法在不同火焰機(jī)制中的適用范圍。進(jìn)一步分析了采用不同火焰面建表參數(shù)對(duì)層流穩(wěn)態(tài)火焰面模型模擬精度的影響,同時(shí)對(duì)采用主元分析方法(PCA)重新定義火焰面反應(yīng)進(jìn)度變量進(jìn)行了研究。在對(duì)一維火焰面模型的研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步依據(jù)多維火焰面生成流形的思路,發(fā)展了兩種新的多維火焰面建表方法：基于對(duì)多維火焰面方程中的標(biāo)量耗散率采用交互迭代修正的交互式多維火焰面生成流形方法,以及引入歸一化的反應(yīng)進(jìn)度變量c替換火焰面進(jìn)度變量Yc作為火焰面坐標(biāo)得到的Z-c多維火焰面生成流形方法。通過(guò)對(duì)具有三岔火焰特征的層流抬舉火焰以及一系列對(duì)撞部分預(yù)混火焰的模擬,采用直接求解詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)方法的解作為參照解,以驗(yàn)證新的多維火焰面方法的精度,并與原有的基于一維預(yù)混FGM方法所得到的解進(jìn)行了對(duì)比。數(shù)值模擬結(jié)果表明,多維火焰面模型可以同時(shí)捕捉火焰結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散和預(yù)混特征,相比一維火焰面模型,提高了數(shù)值模擬的精度。通過(guò)比較分析不同模型解得出,使用多維火焰面可以在大幅度減少計(jì)算量的前提下,達(dá)到接近直接求解詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)的解的精度。
【關(guān)鍵詞】：多維火焰面生成流形 部分預(yù)混火焰 火焰面進(jìn)度變量 標(biāo)量耗散率 火焰面坐標(biāo)變換 燃燒機(jī)制指數(shù) 主元分析方法
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK16
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-33
• 1.1 計(jì)算燃燒學(xué)的應(yīng)用背景12-13
• 1.2 燃燒器中的火焰結(jié)構(gòu)特征13-17
• 1.2.1 預(yù)混燃燒的結(jié)構(gòu)特征13-14
• 1.2.2 擴(kuò)散燃燒的結(jié)構(gòu)特征14-15
• 1.2.3 部分預(yù)混火焰特征及其在工業(yè)中的應(yīng)用15-16
• 1.2.4 部分預(yù)混燃燒機(jī)制的研究進(jìn)展16-17
• 1.3 化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)化方法17-20
• 1.3.1 計(jì)算奇異攝動(dòng)(CSP)方法17
• 1.3.2 當(dāng)?shù)刈赃m應(yīng)建表(ISAT)方法17-18
• 1.3.3 固有低維流形(ILDM)方法18-19
• 1.3.4 固有低維流形延伸(FPI)和火焰面生成流形(FGM)方法19-20
• 1.4 化學(xué)熱力學(xué)建表方法20-29
• 1.4.1 層流穩(wěn)態(tài)火焰面模型(Steady laminar flamel et model)21-23
• 1.4.2 預(yù)混火焰面生成流形(Premixed FGM)方法23-24
• 1.4.3 均勻攪拌反應(yīng)器(Perfectly stirred reactor)建表方法24
• 1.4.4 層流非穩(wěn)態(tài)火焰面模型(Unsteady laminar flamelet model)24-25
• 1.4.5 湍流燃燒中的層流火焰面模型25-29
• 1.5 CHEMKIN和OpenFOAM軟件簡(jiǎn)介29-32
• 1.6 本文主要工作介紹32-33
• 第2章 基于一維火焰面方程的化學(xué)反應(yīng)建表方法研究33-59
• 2.1 火焰面坐標(biāo)下的化學(xué)反應(yīng)建表方法分析33-36
• 2.1.1 火焰指數(shù)(Flame index)33-34
• 2.1.2 火焰面坐標(biāo)變換34-35
• 2.1.3 不同火焰機(jī)制下的化學(xué)熱力學(xué)建表方法分析35-36
• 2.1.4 燃燒機(jī)制指數(shù)和多機(jī)制火焰面模型36
• 2.2 不同建表參數(shù)對(duì)火焰面模型精度的影響研究36-39
• 2.3 層流同軸射流部分預(yù)混火焰的數(shù)值模擬39-45
• 2.3.1 層流同軸射流部分預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)特征39-41
• 2.3.2 不同火焰面模型建表方法41-42
• 2.3.3 不同模型建表方式得到的解之間的對(duì)比42-45
• 2.4 層流抬舉火焰模擬45-51
• 2.4.1 層流抬舉火焰的基本特征45-46
• 2.4.2 火焰面模型和自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用46-48
• 2.4.3 不同模型建表方式得到的解之間的對(duì)比48-51
• 2.5 主元分析方法(PCA)在火焰面模型中的應(yīng)用51-58
• 2.5.1 主元分析方法(PCA)52-53
• 2.5.2 PCA在燃燒學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用53-55
• 2.5.3 層流抬舉火焰數(shù)據(jù)的PCA還原55-58
• 2.6 本章小結(jié)58-59
• 第3章 層流多維火焰面生成流形方法59-71
• 3.1 多維火焰面生成流形(MFM)59-60
• 3.2 Z-Y_c多維火焰面生成流形方法60-64
• 3.2.1 Z-Y_c多維火焰面控制方程60-62
• 3.2.2 標(biāo)量耗散率的�；�62-63
• 3.2.3 多維火焰面與CFD計(jì)算的耦合63-64
• 3.3 多維火焰面的數(shù)值算法64-65
• 3.3.1 燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算中的剛性問(wèn)題64
• 3.3.2 VODE微分方程求解器64
• 3.3.3 分裂算法64-65
• 3.3.4 多維火焰面計(jì)算采用的差分格式65
• 3.4 Z-Y_c多維火焰面解的參數(shù)分布特征65-69
• 3.4.1 層流部分預(yù)混火焰建庫(kù)65-66
• 3.4.2 計(jì)算結(jié)果及討論66-69
• 3.5 本章小結(jié)69-71
• 第4章 交互式多維火焰面生成流形方法71-81
• 4.1 交互式火焰面模型方法71-72
• 4.1.1 交互式穩(wěn)態(tài)火焰面模型(Interactive SLFM)71-72
• 4.1.2 RIF火焰面模型72
• 4.2 交互式多維火焰面生成流形方法(Interactive MFM)72-74
• 4.2.1 多維火焰面方法的交互式迭代修正72-73
• 4.2.2 IMFM迭代流程73-74
• 4.3 層流抬舉火焰的計(jì)算74-80
• 4.3.1 數(shù)學(xué)物理模型及數(shù)值方法74-75
• 4.3.2 計(jì)算結(jié)果分析75-80
• 4.3.3 結(jié)論80
• 4.4 交互式多維火焰面生成流形方法的優(yōu)勢(shì)與不足之處80-81
• 第5章 Z-c多維火焰面生成流形方法81-94
• 5.1 Z-c多維火焰面生成流形81-85
• 5.1.1 Z-c坐標(biāo)空間的火焰面方程組81-83
• 5.1.2 火焰機(jī)制判斷與標(biāo)量耗散率的模化83-85
• 5.1.3 Z-c多維火焰面生成流形85
• 5.2 層流對(duì)撞部分預(yù)混火焰的計(jì)算85-93
• 5.2.1 對(duì)撞部分預(yù)混火焰的配置85-86
• 5.2.2 Z-c多維火焰面建表86-88
• 5.2.3 不同�；椒ǖ玫降慕庵g的對(duì)比88-93
• 5.3 Z-c多維火焰面生成流形方法的優(yōu)勢(shì)與不足93-94
• 第6章 結(jié)論和展望94-96
• 6.1 全文總結(jié)和創(chuàng)新點(diǎn)94-95
• 6.2 工作展望95-96
• 參考文獻(xiàn)96-106
• 致謝106-107
• 博士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果107

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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5 趙平輝;葉桃紅;朱e，

本文編號(hào)：1095595