大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動(dòng)和質(zhì)量彌散的數(shù)值研究.pdf

1、隨著人類邁入21世紀(jì)，資源和環(huán)境的問(wèn)題愈加突出?；跉怏w或液體燃料在大孔隙率多孔介質(zhì)中燃燒的過(guò)濾燃燒技術(shù)在高效、節(jié)能和凈化諸方面都顯示出誘人的前景，加之多孔介質(zhì)材料和技術(shù)的進(jìn)展，而日益引起人們的研究興趣，并已在工程實(shí)際中獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。本文以多孔介質(zhì)燃燒器和多孔介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)為研究背景，通過(guò)數(shù)值模擬研究了大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動(dòng)與組分輸運(yùn)過(guò)程，主要目的是更系統(tǒng)深入地理解多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動(dòng)和混合氣的形成過(guò)程的特點(diǎn)及規(guī)律，并進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)

2、域的理論研究及其實(shí)際應(yīng)用。 本文主要在下列幾方面進(jìn)行了研究與探索： 1、在眾多的多孔介質(zhì)湍流模型中，對(duì)具有代表性的三種模型進(jìn)行了較全面的介紹與分析，并針對(duì)內(nèi)部置入多孔介質(zhì)的長(zhǎng)方形管道內(nèi)的湍流流場(chǎng)，利用主要的兩種宏觀湍流模型進(jìn)行了數(shù)值研究。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析后發(fā)現(xiàn)，A-L湍流模型對(duì)湍流的抑制作用略大一些。 2、為了深入研究大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)的湍流特性對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)輸運(yùn)和燃燒過(guò)程的重要影響，建立了多孔介質(zhì)的一種二

3、維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。此模型由一系列的圓形孔隙體和長(zhǎng)方形喉道互相連接而成。使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的微觀流場(chǎng)，利用體積平均方法將微觀流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為宏觀流場(chǎng)的信息，從而確定了宏觀湍流模型中修正項(xiàng)系數(shù)的值。與相關(guān)文獻(xiàn)比較和分析顯示吻合良好。 3、為考察氣缸內(nèi)加入多孔介質(zhì)蓄熱體后對(duì)燃燒室內(nèi)湍流流場(chǎng)及混合氣形成的影響，對(duì)模擬內(nèi)燃機(jī)氣缸的一個(gè)圓柱狀多孔介質(zhì)燃燒室進(jìn)行了數(shù)值研究。建立了四種多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型，詳細(xì)研究了多孔介質(zhì)內(nèi)湍流

4、流動(dòng)和噴霧油束與多孔介質(zhì)的相互作用，對(duì)能量方程和油滴碰壁模型進(jìn)行了修正。著重分析了多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)、多孔介質(zhì)孔隙率、噴射壓力和噴霧錐角對(duì)燃燒室內(nèi)湍流流場(chǎng)、混合氣形成和均勻化過(guò)程的影響。 研究表明多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)和孔隙率對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)湍流流動(dòng)的影響很大，從而影響整個(gè)區(qū)域的湍流流場(chǎng)。噴霧錐角的大小直接影響到自由流體區(qū)域湍動(dòng)能水平和噴霧油束與多孔介質(zhì)相互作用過(guò)程，以及多孔介質(zhì)內(nèi)湍動(dòng)能水平和流場(chǎng)。而噴射壓力對(duì)噴霧油束與多孔介質(zhì)相互作用和湍流流場(chǎng)的

5、影響，主要是通過(guò)改變油滴運(yùn)動(dòng)速度而得以實(shí)現(xiàn)。噴射壓力增大，油滴運(yùn)動(dòng)速度得以增加，湍能水平也相應(yīng)增加。油蒸汽的分布更加均勻、更加廣闊。 4、大孔隙率多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)和燃燒問(wèn)題的一大難點(diǎn)是同時(shí)存在時(shí)間上的湍流脈動(dòng)和空間上的擾動(dòng)即彌散。彌散是由于介質(zhì)中數(shù)量巨大而形狀又極不規(guī)則的微孔對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)而引起的一種輸運(yùn)現(xiàn)象。利用由圓柱形單元的周期性陣列作為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，對(duì)甲烷和空氣在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究，利用微觀流場(chǎng)