燃烧的数值模拟

燃烧过程的数值模拟方法，离散方程，方程的求解方法内容筒介枣恳计β燃娆学方面的-本专著,亡乐地钗述娆过程数值模拟中所涉及的基理论、数学模型数值解法以及数值模拟在实际工程装置屮旳应用,并脊重介近年来讨算燃烧字料最新的研究成果。全书共分六章。笔爭三章主要阐述燃烧过程数值模拟的基础理论如识,包括多組分气和粘性反应流动基本方桎以及层流和紊流扩散燃烧,紊流流动的数学模型大模拟及其在蔾流燃烧中的应用.气体流燃烧的棋拟、以及紊流两相流动与槃烧模拟。第四至六章着重叙述近代计算燃烧学的斯发。如在第四章的复杂形状燃烧室计算方法中系统地介绍了贴体网格生成和在意曲线坐标系統下两祁燃烧流场数值求解方法、以及流场计算中新发腰的数值方法;在第五章的燃烧过程污染物生成的摸拟中主要介绍污染物生成的数学模型以及计算方法第六章的超音速流动与燃烧的模拟中阐述了超育速烧烧流场讨算的数学模型与数值解法等内容。全书叙述力求简明扼要、突出重点并注重汇集各种新方法和新理论及其应用。本书可作为高等院校研究生和高年级本科的计算燃烧学课程的时教材成教学参专书,可作为从事熟能工程、工程热物翔、流体力学航空与航大、冶金与化工、核能T程算有关专业的高校敦师、科研技术人员及程技术人员的参考用竹。书在版编目(CIP)数据撚烧的数值模拟/赵坚行著,-北京:科学出版社,2002ISBN7-03-0(342-4燃…』·赵…丌.燃烧过程-数值模拟Ⅳ,0643.2中国版本图书馆CP数据核字(2002第020367号晕真蔑出版北京乐黄城根北衔16号政线码:00717http:/!www.sciencep.com派印剩厂印刷科学出社发行各地新华书店经销2002年6月第版开本:S5yL58132226月第一次中刷印张:13印数:I-20n字数:365000定价;36.00元(如有印装质问题,我社鱼责调换新欣))序言燃烧过程是受流动(包括滞流)传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化学过是。直到20世纪70年代以前,燃烧的数学理论仅限于描述基本现象,它在燃烧技术上的应用局限于定性分析。当时,燃烧窒和燃烧炉的设计主要依靠实验和经验、半经验的设计计算方法。3θ多年来,流动、传热传质和燃烧的数值模拟理论、方法和计算程序的研究得到迅速发展。今天,燃烧的数学理论已经成为通过燃烧过程数恒模拟来发展燃烧攴术和指导燃烧装置设计的有力工具。在国内外,著名的商业软件如 FLUENT,STAR-CD. CFX, PHOENICS等已经成为大家熟悉的燃烧过程数值模拟的软件,在热能、航空航天、化工、冶金、交通等领域得到了广泛的应用。而且各个公司、研究所和高等学校还有自行研制的有特色的软件。这一方面如此迅速的发展是出乎人们意料的。在我国燃烧过程数值模拟的研究最早出现于20世纪?0年代末。中国科学院工程热物理研究所、中国科学技术大学和本书作者所在的南京航空学院(现南京航空航天大学)是最早从事这方面研究的单位,起了十分重要和不可磨灭的先导作用。随后清华太学、西北工业大学、浙淅江大学、北京航空学院(现北京航空航天大学)、华北电力学院研究生部、华中工学院(现华中科技大学)、中国科学院力学研究所、南京工学院(现东南大学)西安交通大学等单位纷纷展开了这方而的研究。现在我国这方而的研充和应用成果已经跻入世界先进的行列。例如,清华大学等单位有关两相湍流模型和两相燃烧双流体模型的研究受到国际学术界的重视和肯定,先后多次被列为国际会议邀请报告。目前国内很多单位都认识到这方面研究的重要性投人了相当的研究力。本书作者赵坚行教授是我国最早从事燃烧过程数值模拟研究的专家之-在本领城有很深的造诣。多年来她致力于研究和发展湍流燃烧模型、新的数值求解方法和计兌技巧。特別是针对航空发动机橪烧室的持点,对复杂计算域网格生成、娂体坐标、污染物生成的模拟超音速流动和燃烧的模拟等方面,进行∫深入的研究,取得草成效的研究成果同时,在应用中也取得显著成效。本书是她多年来科研和教学工作的结晶是·本不可多得的高水平专著在本书出版以前.国內曾出版过一些燃烧过程数值模拟方亩的书籍,如《燃烧过程数值计算》(上应时、范维澄、周力行、徐旭常,1986),《燃烧室和工业炉的数值模拟》周晓青、陈熙译,1986),《湍流两相流动和燃烧的教值模拟》周力行,191),《湍流计算模型》陈义良,1991),《流动及燃烧的模型与计算》(范维澄、万跃鹏,1992),《湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟》周力行1994)等。本书也是·本这方面的专著。它闻述了湍流模型、湍流燃烧模型和污染物生成模型、数值解法等各方面的基本问题。但是本书和上述这些书籍相比有着鲜明的特点。一个是引入了作者本人多年的研究成果,如湍流燃烧模型和污染物生成模拟等方面的研究成果再一个是引入最新的国外研究成果,如滑流流动的大涡模拟和湍流燃烧的大涡模拟、超音速燃烧的模拟等。最明显的特点是,本书系统地总结了复杂形状计算域的网格生成贴体坐标和数值解法污染物生成的模拟和超音速流动与燃烧的模拟,这些内容都是前述的书籍中所没有或者很少涉及到的,但是对研究燃烧过程数值模拟又是十分重要的。此外,以前出版的这些专门书籍印数都很少.早已销售一空,目前很难找到。因此进人21世纪之后,本书的出版一定能满足当前读者的要求。相信本书的出版会进一步促迷国内燃烧过数值模拟的研究和应用,使本领域能达到更高的水最后预祝赵坚行教授在未米的科研和教学工作中取得更大的成就。周力行2A!年1力19日于北京清华园长期以来燃烧系统研制主要依靠大量讽验和传统的经验、半经验设计方法进行但随着电子计算机的出玩到普及、现代数学的迅速发展、用数值方法模拟燃烧系统中流动、传热传质、化学反应等过程已成为可能。这种理论预测方法得到了燃烧界的热心关注和重视,使之在工程问题中得到推广与应用,形成了一门新兴的边缘学科——计算燃烧学或数值燃烧学。30多年来计算燃烧学的蓬勃发展,充分显示了它的强大生命力,它在用传统燃烧理论分析难以解决的复杂几何形状燃烧装置的燃烧问题,以及受到试验设备和测量装置限制使实验很难实现的燃烧问题中表现出其独特的优起性,在不断地深化和发展中它已成为开展先进燃烧技术研究和燃烧系统优化和政进设计的有力工。为了满足先进燃烧技术发屐的需要,国内外各大公可、研究所和高等院校紛纷研制燃烧过程数值模拟软件。与此同时,国内外许多高等院校都为研究生开设∫“计算燃烧学”课程。与该课程相对应,配备一本合适的研究生教材或可供从事燃烧数值计算的科学研究与技术人员用的参考书是必不可少的虽然在本书间世之前,国内已出版了些有关燃烧数值计算方面的书籍,但是近1年来,计算燃烧学无沦在国际上还是在国灯都处在蓬勃发展的旺盛时期,特别是在复杂形状计算区域网格生成及其流场计算方法、燃烧污染物生成的模拟以及超音速流动与燃烧计算等方面都有了许多新的进屐此,有必要编写一本能够充分反映我国当前本学科的学术水平和国内外最新的研究成果的书籍,以满足读者的需要。此外,这又是一本教材,其内容必须有一定的系统性,并有足够的深度和广度深入浅出,重点突出,便于读者自在仝书编写屮注意物理慨念的论述,使读者能充分利用自己对物理过程的认识來加深对数学模型和计算方法的理解;同时也力求反映国内外近期的研究成果以便让读者较快地接近本学科前沿,夲书不仅介紹数学模型及其数值解法,而且还讨论其模拟结果及其在I程问题中应用前景。为了方便读者,本书在选材上力求相对完整,使读者不必过多参阅文献就能基本了解和掌握其主要内容。著者衷心感谢周力行教授在百忙中审阅了本书并提出了宝贵的意见,还为本书写了序言。感谢我的学生们:雷雨冰博士后、伍艳玲博士、胡好生高级工程师以及周峰轮、周琳、程萃莘等同志他们在读书期间的出色工作以及所完成的研究生学位论文充实了本书的内容。中国科学院科学出版基金委员会对本书的出版给予资助,著者在此敬谢。著者希望本书的出版能有助于促进我国燃烧过程数值模拟的研究与应用,有助于促进计算燃烧学科的交流与发展著者恳切希望能得到使用本书的教师、学生和广大读者的批评和指正赵坚行202年1月5日于京轨室航天大学4 1y目录序宫前言第一章多组分气相粘性反应流动………………………………(1)1质量交换………………■■■■■b■■■■■昏■■曾■■■■啬血■山山■■鲁■面1.2混气流动的动量方程和能量方程……(6)3简单化学反应系统101.4层流射流扩散火焰·dψ■●■鲁b●·4■■看鲁■■●■■●■■(19)1.5紊流射流扩散火焰………………………………(27)1.6燃烧过程的相似(32)参考文献…………………………"…………………:(34)第二章紊流流动的模拟…………………(35)21紊流流动基本概念…………………………(36)2.2k-E模型及其改进……"………………………(51)2.3雷诺应力模拟●『看看●b●d唱ψ●■bb●●ψ『db·唱↓■bd●■■(63)2.4代数雷诺应力模拟………………………………(71)2.5大涡模拟和亚网格尺度模型………………(81)参考文献…………………………………………………(91)第三章气体紊流烧的模拟(96)3.1引………………………………………(96)3.2紊流扩散火焰模型98)3.3紊流预混火焰模型∵………………………(110)3.4有限反应速率模型………………………………(118)35复杂化学反应…(124)3.6紊流两相流动与燃烧模拟……………………(139)3.7大涡模拟在燃烧流场中应用……………(161参与文献…………………………………(178)第四章复杂形状燃烧室的计算方法…(186)4.1引言(186)1.2贴体坐标系统…血p。●ψ·“卓■■■幽■■■■■■鲁■■■·■■■■■■■196)4.3三维任意曲线华标系统……………………………(219)1.4流场计耸中新的数值方法简介…………………(253)参考文献…………………………………………(265)第五章燃烧过程中污染物生成的模拟……………(272)5.↓污染物的生戒模型………(273)5.2经验分析方法甲申使●甲。甲命甲中章早章甲。早鲁甲幽早。(302)参考文献中山中鲁bd旱唱4和函■早■■罩函早『函日過■■“早血早■■函■(326)第六章超音遠流动和燃烧的模拟(333)6.1紊流模型…(333)6.2数值计斧方法■昏■■■■●■■。■哂■·口。■。■卧口■■■幽白b白●曲自c·幽(349)6.3有限元法求解可压缩粘性流体流动方程(38964超音速燃烧流场数值模拟……………(403)参考文献………………………………………………(418)主要符号表………曾『q鲁P中·旱■平曾早中……………………(425)索引…(429)第一章多组分气相粘性反应流动燃烧是气怵、液体和圉体燃料与氧化剂之间进行的一种剧烈的化学反应。无论哪·种燃料的燃烧,化学反应总是全部地或部分地在气相中进行,一般情况下橪烧是在流动系统中发生,在燃烧室中气流都是由多种化学性质不同的组分所组成。例如,在未燃的气相气流中至少有三种组分,即:可燃物质(如碳氢燃料);氧化剂(如氧气)和不参加化学反应的惰性气体(如氮气)。在已燃气流中,如果燃烧完全,则没有燃料或没有氧气,但有燃烧产物;奸果燃烧不完全,则撚料、氧气和燃烧产物同时存在。这是常见的气流,这种气流的特点是:除开有粘性外,还有各组分之间相互扩散和燃料与氧气之间的化学反应;存在质量交换过程和化学反应过程。因此研究燃烧问题就是研究多组分的带化学反应的流体力学问题,研究燃烧过程中出现的质t、动量和能量输运现象。当气流雷诺数较低时、常岀现层流流动,本章主要讨论层流情况。但当雷诺数大于15000时,就会产生紊流。1.1质量交换质量交换是白于分子(或紊流气团)之间相互扩散而产生的混气成分的变化,本节主要讨论分于的扩散。1.1.1定义(1)混气密度ρ≡单位体积内混气的质量,(kg/m3)。2)组分三混气中化学性质不同的物质,如H2O,H2,CO,O等。(3混气卬s组分的密度p-单位容积中组分s的质量,(kg/