發(fā)布時間：2021-08-31 17:34

　　盡管統(tǒng)計局部各向同性假設(shè)已廣泛用于湍流理論和建模,但湍流預(yù)混火焰的局部釋熱會令附近流體密度與黏性發(fā)生突變,進(jìn)而使湍流流場呈現(xiàn)非各向同性統(tǒng)計。我們將渦面場方法推廣于湍流預(yù)混燃燒,用于表征非各向同性渦面結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)未燃側(cè)的小尺度纏繞扭曲渦管在火焰區(qū)受到熱膨脹的拉伸作用,在已燃側(cè)融合為大尺度塊狀結(jié)構(gòu)。結(jié)合擬渦能輸運方程和雷諾應(yīng)力Lumley三角形,分析發(fā)現(xiàn)從未燃側(cè)到已燃側(cè)速度場非各向同性程度逐步增加,且渦面幾何結(jié)構(gòu)的變化與速度場局部非各向同性統(tǒng)計高度相關(guān)。 

【文章來源】：空氣動力學(xué)學(xué)報. 2020,38(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【圖文】：

湍流預(yù)混火焰分區(qū)圖（紅點標(biāo)識本DNS算例參數(shù)）

對于算例C中已到達(dá)湍流統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)的瞬時流場，圖3中給出了其平均VSF偏差隨偽時間演化的衰減曲線。可看出初始VSF即渦量強度的VSF偏差很大，約為30%。隨著偽時間迭代的進(jìn)行，渦面場偏差迅速降低到10%以下，最終可降低至5%左右。該偏差遠(yuǎn)小于使用歐拉渦識別方法（渦量強度等值面）時的偏差。因此，偽時間修正和局部優(yōu)化方法能有效降低VSF偏差，獲得較準(zhǔn)確的VSF數(shù)值解。該收斂時的平均VSF偏差大小依賴于流場中的渦線復(fù)雜度與VSF網(wǎng)格數(shù)[20]。本算例中VSF網(wǎng)格與DNS網(wǎng)格一致。通常當(dāng)湍流強度增大時，需要進(jìn)一步提高VSF網(wǎng)格數(shù)來獲得相當(dāng)大小的平均VSF偏差。2.4 非各向同性的渦面結(jié)構(gòu)

為了隔除平均剪切效應(yīng)而獨立地研究火焰對湍流的影響，本DNS考慮統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)HIT中沿流向自由傳播的平面甲烷/空氣預(yù)混火焰。如圖1所示，計算域為長方體區(qū)域，邊長分別為Lx×Ly×Lz=6L×L×L，其中L=2mm。左右邊界分別設(shè)置為入流和出流條件，側(cè)面y和z方向設(shè)置為周期邊界條件。計算域采用均勻網(wǎng)格離散，網(wǎng)格規(guī)模為Nx×Ny×Nz=6 N×N×N。所有算例中解析度均滿足通用的湍流燃燒DNS網(wǎng)格選取準(zhǔn)則[22]。本DNS中使用NGA程序[23]在交錯網(wǎng)格上求解控制方程（1)～(4）。動量方程中的空間導(dǎo)數(shù)項采用具有動能守恒特性的二階中心差分格式進(jìn)行離散，而組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度輸運方程中的對流項采用三階有界QUICK格式[24]離散。時間推進(jìn)采用二階半隱式Crank-Nicolson格式[25]�；瘜W(xué)反應(yīng)計算采用13組分甲烷/空氣骨架化學(xué)反應(yīng)機理[26]，并通過調(diào)用CHEMKIN軟件庫[27]獲得化學(xué)反應(yīng)速率、熱物性等物理量。計算中采用常值Lewis數(shù)（Le）設(shè)定：先計算相同工況下的層流預(yù)混火焰，然后根據(jù)混合物平均的物性參數(shù)計算得到不同組分的Le用于燃燒DNS計算�；瘜W(xué)反應(yīng)源項的時間積分采用隱式ODE求解器DVODE[28]進(jìn)行處理。所有DNS算例至少預(yù)先運行10Te時間以使流場達(dá)到統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)，然后在接下來的20Te時間段內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，這里Te為湍流大渦翻轉(zhuǎn)時間。


本文編號：3375320