基于PDF-RSM耦合的后台阶稳态氧化反应过程数值模拟

来源 :太原科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:FlamesTsui
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有氧化反应的后台阶流在生产与生活实践中有着重要的意义。虽然,作为计算流体力学基准试验的后台阶流有很多实验和数值方面的研究,但是对于有氧化反应过程的后台阶流动的模拟并没有被仔细研究过。本文在学者们研究的基础上,利用标量联合概率密度函数与雷诺应力湍流模型相耦合的方法对后台及稳态氧化反应过程进行了数值模拟:  首先,使用雷诺应力湍流模型方法对冷场条件下的后台阶流动进行模拟,比较了两种不同的进口速度分布对于计算结果的影响,并对结果进行了讨论。表明在使用1/7次方律入口速度分布的情况下,计算的结果与实验的结果非常吻合;雷诺应力湍流模型能够很好的模拟冷场的后台阶流动。  在上述的基础上,本文使用标量联合概率密度函数方法与雷诺应力湍流模型相耦合的方法计算了在低温缓慢氧化的情况下甲烷与纯氧之间在两种不同反应机制下的后台阶氧化反应。所得到的结果表明:入口的流速对于后台阶氧化反应的结果的影响主要是体现在不同的停留时间上,来流速度越小,反应物在计算区域的停留时间越长,化学反应产物的浓度也就越高;流场与化学反应速率以及化学反应机制之间主要通过温度场的作用相互影响。在低温氧化的情况下,不同的化学反应机制得到的温度场基本相同;在两步反应机制下,一氧化碳则主要在台阶后的底部生成。  本文进一步研究了高流速情况下,甲烷与纯氧之间的燃烧反应。结果表明,相比较低温缓慢氧化情况而言,燃烧时,其反应物的消耗增大了二十多倍;并且不同的反应机制的结果有了更多的差异。燃烧时,不同反应机制的最高温度相差将近1000K,但是由于甲烷的火焰温度实验结果分歧比较大,并且一步反应机制的最高温度与某些文献的结果非常接近,所以这一点是合理的。此外,在燃烧时,两步反应机制下的一氧化碳浓度最高区域出现在出口附近,而在台阶底部区域生成了大量的二氧化碳。  在所有情况下的研究都表明,氧化反应的最高温度总是出现在流场的流速最慢的区域,而与流场是否回流等特性无关。
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