基于一維湍流模型的湍流擴散火焰數(shù)值模擬研究.pdf

1、火災(zāi)是湍流燃燒過程，而實際的湍流燃燒是湍流與復(fù)雜化學(xué)強烈耦合的非線性過程。湍流與復(fù)雜化學(xué)之間的耦合導(dǎo)致反應(yīng)求解方程剛性增大，帶來較大的計算量，因此耦合湍流和復(fù)雜化學(xué)的數(shù)值模擬是一項極具挑戰(zhàn)的工作。DNS對湍流燃燒的模擬可以達(dá)到Komogrov尺度，并且可以撲捉到湍流中細(xì)小的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)及脈動信息，但是由于剛性問題導(dǎo)致的計算量非常龐大，因此模擬復(fù)雜化學(xué)很難實現(xiàn)，并且耦合復(fù)雜化學(xué)的層流火焰也不能反映湍流燃燒特性。所以，復(fù)雜化學(xué)的湍流燃燒模擬需要

2、一個可行且有效的數(shù)值模擬平臺。一維湍流模型(ODT)模擬不僅能夠較高精度的模擬湍流燃燒，而且一維尺度的計算代價也在可承受范圍內(nèi)。本文建立大規(guī)模的ODT模型并行平臺，模擬和分析甲基磷酸二甲酯(DMMP)對丙烷湍流擴散火焰的抑制效果。
　　本文首先介紹了ODT模型的湍流模擬機制及數(shù)值求解方法，應(yīng)用該模型模擬分析了稀釋劑H2O/CO2/N2對合成氣火焰燃燒特性的影響，并將計算數(shù)據(jù)與美國sandia實驗室的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。在中高

3、雷諾數(shù)條件下，詳細(xì)分析不同稀釋劑對合成氣火焰結(jié)構(gòu)、溫度、NOx化合物生成及熄火、再燃現(xiàn)象的影響。模擬結(jié)果顯示，稀釋劑CO2能夠最大程度的降低了合成氣火焰的溫度，有效減少了NOx的生成并且CO2稀釋的合成氣火焰出現(xiàn)最大程度的熄火現(xiàn)象。
　　其次，由于實現(xiàn)耦合復(fù)雜化學(xué)的湍流燃燒模擬需要很強的計算能力，因此本文對ODT模型進(jìn)行并行計算設(shè)計。本文對并行計算系統(tǒng)及其算法進(jìn)行了研究，采用了高性能Linux集群系統(tǒng)及MPI編程平臺實現(xiàn)ODT模型

4、的并行化。運用并行化的ODT模型對乙烯燃燒火焰進(jìn)行模擬，并且將并行模擬結(jié)果與David等人的模擬結(jié)果相比較，驗證并行化ODT模型計算結(jié)果的有效性。
　　最后，應(yīng)用ODT大規(guī)模計算平臺模擬研究含磷添加劑(DMMP)對丙烷湍流擴散火焰的抑制效果。模擬結(jié)果表明，添加滅火劑DMMP之后，丙烷火焰溫度明顯降低，火焰主要自由基OH和O也隨之減少。當(dāng)DMMP的添加量為300ppm時，丙烷湍流擴散火焰的熄火概率由原來的0.5上升為0.6。并且通過

5、DMMP含磷分解組分的分析發(fā)現(xiàn):HOPO2和HOPO通過PO2迅速的相互轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)在這些催化反應(yīng)中，如果火焰自由基H或OH被其他的一些烴基取代，形成甲烷，甲醇或者其他穩(wěn)定的組分，同樣可以導(dǎo)致丙烷火焰的熄火。
　　本文主要貢獻(xiàn)在于建立大規(guī)模ODT模型計算預(yù)測平臺。在湍流燃燒中，湍流流動過程和化學(xué)反應(yīng)過程有著強烈的相互關(guān)聯(lián)和相互作用。然而，傳統(tǒng)的復(fù)雜化學(xué)研究都是在層流的基礎(chǔ)上而不考慮湍流對化學(xué)反應(yīng)的影響，因此，本文主要考慮湍流與復(fù)