分子隨機熱運動對燃燒火焰結構的跨尺度影響研究.pdf

1、流體分子無規(guī)則熱運動使得分子在局部空間的分子數(shù)密度產生隨機脈動，這種局部的流體分子聚集或疏離現(xiàn)象使得流體在較大時空尺度的壓力、運動等方面呈現(xiàn)出非規(guī)則的波動現(xiàn)象，其中比較典型的是流體中微納顆粒的布朗運動現(xiàn)象。從單純的連續(xù)介質流體運動而言，這種分子尺度的脈動對宏觀尺度流場的跨尺度影響似乎并不顯著，但對于微納尺度和稀薄氣體等大Kn數(shù)的流動仍產生了不可忽視的影響。燃燒作為一種自然現(xiàn)象普遍存在于自然界中，同時也是我們日常生活和工業(yè)生產中能量的主要

2、來源方式。從本質上說，燃燒是一種基于分子之間相互劇烈作用的化學反應。顯然，這種基于分子尺度的化學反應過程與流體分子無規(guī)則熱運動引起的非均勻脈動具有一致的時空尺度并相互耦合作用。那么，這兩種同處于分子尺度上的相互耦合作用過程是否會對宏觀尺度的化學反應進程和流場特性產生影響呢？目前基于連續(xù)介質理論的燃燒理論對這一跨尺度效應問題并無研究。本文針對這一問題，采用直接模擬方法，開展燃燒過程中分子尺度運動對大尺度火焰結構的跨尺度效應的影響研究。

3、r>　　首先根據(jù)分子動力學理論，針對流場中流體分子的局部聚集過程進行理論分析，結合基于流體連續(xù)介質假設的N-S方程，建立了考慮分子尺度脈動的跨尺度效應的流動與燃燒數(shù)學模型。在此基礎上，借助OpenFOAM平臺，對穩(wěn)態(tài)層流射流燃燒和非穩(wěn)態(tài)混合層燃燒過程進行了直接數(shù)值模擬研究。
　　研究表明:
　　(1)對于無反應的冷態(tài)流動而言，考慮跨尺度效應的模擬結果和不考慮跨尺度效應的模擬結果相比，雖然在流場由初始場向充分發(fā)展流場的轉變進程

4、上略有不同，但是對于充分發(fā)展的流場結構而言基本一致，說明分子隨機熱運動的非穩(wěn)定性并不會明顯改變流場結構，分子熱運動對于流場的影響主要體現(xiàn)在平均效應上;
　　(2)對于穩(wěn)態(tài)層流射流燃燒過程，考慮跨尺度效應的模擬結果與不考慮跨尺度效應的模擬結果在大尺度的結構上基本一致，但是在微尺度方面考慮跨尺度效應的溫度和組分濃度等空間分布等值線不像沒考慮跨尺度效應的那么光滑，等值線出現(xiàn)了一定的波動現(xiàn)象，這種波動現(xiàn)象與微尺度燃燒試驗中發(fā)現(xiàn)的一致;