基于MMC模型的稀疏拉格朗日模拟研究

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湍流燃烧过程广泛地存在于燃气轮机、内燃机中。由于燃烧过程在很大程度上控制着燃料的消耗和污染物的排放,有关燃烧过程的研究依然是能源和环境研究中的重点。燃烧设备中燃烧主要以湍流燃烧的形式出现,因而对湍流燃烧控制问题的研究具有重要意义。湍流燃烧的数值模拟是研究燃烧问题的重要手段之一。将LES与PDF方法结合起来发展的LES/PDF方法,即使用LES求解速度场同时由PDF方法求解标量场的耦合方法来计算湍流燃烧问题,该方法兼具LES和PDF方法的优点而成为近年的研究热点。大涡模拟(LES)方法可以直接求解湍流的大尺度信息,而小尺度信息由亚格子模型模化,但此时过滤后的组分方程中,化学反应源项仍需燃烧模型进行模化。该方法以其远小于DNS方法的计算量和高于RANS的精度得到了广泛应用。PDF方法通过求解PDF输运方程来获知湍流场中物理量的单点单时间统计信息。对于湍流燃烧问题,出现在PDF输运方程中的化学反应源项是封闭的,不存在任何假设。因此PDF方法是相对通用的湍流燃烧模型,能够模拟任意详细的化学动力学过程。但传统的PDF方法使用密集颗粒的拉格朗日模拟求解,计算量仍然巨大,不利于使用。发展基于MMC模型(多维条件映射模型)的稀疏拉格朗日模拟,可大幅降低PDF方法的计算量。但MMC模型中使用的参考空间特征尺度的选取还没有合适的准则,导致其使用受到限制。根据MMC模型对标量梯度较大的剪切层作用较为明显的特性,同时考虑颗粒数密度变化带来的影响,本文据此提出一个稀疏拉格朗日MMC的普适模型,以给出MMC模型中参考空间特征尺度的值。采用改进的模型对圆管射流问题进行模拟,结果表明本文提出的模型具有通用性,与文献报道中的给定相空间特征值的方法模拟结果基本一致;同时,开展了稀疏颗粒场统计均方根中噪声的产生及变化规律的研究,计算结果表明稀疏的拉格朗日模拟中出现的随机噪音干扰大小取决于LES网格从颗粒场取值的方式,选取的颗粒越多则噪音越小。
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