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湍流燃烧小结

下一节:课程总结

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湍流燃烧小结课程教案、知识点、字幕

我们刚才说了

从湍流到湍流预混火焰

到湍流的非预混火焰

而且我们通过一个专题

理出来了一些概念

但很可能很难串起来一个

理想的一个整体的感觉

为什么

因为湍流燃烧

本身实在是太复杂

下面呢我非常简单的

跟大家一起来串一串

我们这个基本的思路

我们对于湍流燃烧来说

我们实际上首先我们来看看

对于湍流的研究

湍流研究现在说实在的

相当的复杂

最早的时候

比如是我们刚才讲了

非常简单的一个统计理论

我们研究它里边的一些参数

它怎么变化的

它的平均量怎么样子的

后来你就开始一研究

它的各向的同性的理论

比如我们的包括k-epsilon

单方程 双方程这种模型

都是属于各向同性的湍流

我们到现在的话呢

到了后来有了这个

所谓的叫雷诺应力的模型

包括我们叫LES的

包括DNS

都可以去研究什么

各项异性的这种湍流

那么也是可以统计模型

这我相信是大家很能理解的

不断的一个过程

那我们呢也知道了这个

Richardson他曾经讲过

他刚才有很漂亮的诗

他说的这个

湍流实际上是

大涡到小涡的

能量的串级(cascade)的过程

那我们这种没有

无反应的组分的小尺度

混合的这种规律

显然这个湍流

我们基本的一个思路有了

但真的要去研究这个反应流

应该说不是很实用

这是需要我们去研究的一件事情

那么真正的湍流反应流

不光是湍流很复杂

而且它本身怎么样

本身它由于湍流

我们刚才说不同的尺度

比如大涡的尺度

和湍流的相互作用

小涡的尺度

和湍流的相互作用

是完全不同的

而且不仅仅是

湍流对火焰会有作用

火焰对湍流也可能会产生作用

这个就非常有意思

这个的话呢

现在比如

右边这张图就是最近的这个

就是J. Chen Sandis实验室的

他们做了一个研究发现

湍流燃烧可能对湍流

小尺度的这个能量分布

跟原来我们

你看Kolmogrov那条曲线

大家还记得

到了底下就没了对不对

这里边它会有一个反弹

也就是能量在小尺度

会突然有一个增加

这样的现象

实际上很可能是到现在为止

就搞不清楚

所以说对到现在为止

应该说我们怎么去研究

一个湍流

包括甲烷

比如是一个包括氢气的火焰

那么湍流的脉动

对反应的进程

包括污染物的形成

它稍稍非常微小的这种波动

可能会产生的影响

就是成量级的

这个比如我们在这里边

就是大概一两个毫米之内

它的这个温度差别

大概就几百K

这个氮氧化物生成

可能会有几十度

我们DNS实际上到现在为止

这是一个3×4×0.6厘米的

这么一个小的

实际上就是火柴盒

大小的这么一个区间

你要把它所有的

反应温度 速度 组分

全部给它弄清楚的话

那基本上它需要什么

纳秒级的这种分辨率

那么要一亿个CPU的时间

花两百万美元

才把这么一个小的火焰

才把它搞清楚

那你要测量就更加困难

你要像纳秒或者是

像刚才说毫米级还不够

允许要到几十个纳米级的

这种分辨率

你要去把它弄清楚

这就是我们湍流所带来的

非常大的挑战

那么刚才我们说了

湍流的这个很多的研究

比如我们是用雷诺平均

我们早期用这种小火焰的方法

后来的话呢

有所谓的PDF

就是我们叫概率密度

函数的方法

包括现在小火焰

在跟大涡的模拟的结合

以及现在概率密度函数

和大涡模拟深入以后

DNS这种结合

可能是未来一个趋势

但是应该是相当的复杂

要特别是实现这种双向的耦合

希望大家如果有兴趣

可以不断去探索

湍流燃烧里边

很多有意思的事情

再我们来看看时间尺度

我们化学反应的时间尺度

基本上都是在

即使宏观的尺度

也基本上就是什么

在微秒到毫秒级的

而我们湍流的时间尺度呢

也刚好是在微秒到毫秒级的

而在这个微秒到毫秒级这个呢

他们发生了互相的

非常复杂的这个耦合作用

这个常常是小尺度的湍流

和快速的化学反应之间

有耦合作用

那么怎么样才能够

把它表述清楚

难度非常之大

那么我刚才讲了

比如我们在distributed flame

反应主导的

我们反应时间远大大于

这个混合时间

或者我们丹姆克尔数怎么样

远小小于1的情况下

我们就很容易做

我们大大于1也容易做

而我们现在问题是刚好

大部分的情况

它是互相耦合的这个区间

我们刚才那个图也是

证明就在这个区间

所以而这个地方

研究起来呢非常复杂

当然我们已经有一些办法了

但是不足以全部解决问题

那我们真正的怎么样

比如这两个图也是显示了

这个湍流对火焰结合的影响

你看上面那个是什么

小湍流

下面这个速度提高

湍流增加了以后

湍流增加大涡的这个差不多

而小涡的结构怎么样 一改变

那么整个温度场也发生变化了

也就是湍流对火焰

互相的这种相互作用

保证右边这个湍流火焰结构的

定量表征

你想这么复杂的一个结构

现在可以算出来

甚至可以测出来

但你怎么去表达它

你光看图不行

对不对

对于我们来说

搞工程的希望是

能够定量的去表征

定量的去预测

这才是我们希望做的事情

而这些事情呢

我们到现在为止

还应该说没有解决

所以有很多很多

值得去研究的问题

所以说总的来说

湍流和化学反应的这种相互作用

是我们整个的难点

而湍流燃烧

本身的复杂性

至今还没有通用的办法

可以去解决

那么对于湍流燃烧的研究

大家要特别注意这种时间

和长度尺度的这种概念

那我们常常的话呢

通过这种比较

来判断它的湍流

处于什么状况

我可以选用一些简单的模型

来解决特定的问题

到现在为止通用的这个办法

应该说是非常非常难的

我很难能够获得一个

一个完全的概念

整体描述 理解

湍流的基本的完整的方程

所以我想呢

这么短短的时间

只是给大家提供一个

基本的出发点

希望能够大家对湍流燃烧呢

感兴趣

真正的湍流燃烧的学习

应该是更高等的

燃烧学的课程的任务

希望大家以后的话呢

可以好好去学习

燃烧理论课程列表:

第一章 导论

-1.1 我们为什么要学习燃烧理论

--1-1:我们为什么要学习燃烧理论

-1.2 什么是燃烧:定义与现象

--1.2 什么是燃烧:定义与现象

-1.3 燃烧科学发展简史

--1.3 燃烧科学发展简史

-1.4 燃烧科学的研究方法

--1.4 燃烧科学的研究方法

-1.5 课程的结构

--1.5 课程的结构

第二章 燃烧与热化学

-2.1 概述

--概述

-2.2 状态参数复习

--状态参数复习

-2.3 热力学第一定律

--热力学第一定律

-2.4 反应物和生成物的混合物

--反应物与生成物的组成

--绝对(或标准)焓和生成焓

--燃烧焓与热值

--例题

-2.5 绝热燃烧温度

--定压绝热燃烧温度

--定容绝热燃烧温度

-2.6 化学平衡

--第二定律的讨论

--吉布斯函数

--复杂系统(选修)

-2.7 燃烧的平衡产物

--全平衡(选修)

--水煤气反应的平衡

--压力影响

-2.8 应用

--回热式和蓄热式交换器

--例题

--烟气再循环

-2.9 小结

--小结

-第二章 燃烧与热化学--第二章作业

第三章 传质引论

-3.1 传质概述

--3.1.1传质概述

-3.2 传质理论基础

--3.2.1菲克扩散定律

--3.2.2扩散的分子基础-分子动力学

--3.2.3扩散系数的微观推导(选修)

--3.2.4组分守恒方程推导

-3.3 传质应用实例

--3.3.1应用实例一:液面蒸发

--3.3.2蒸汽界面边界条件

--3.3.3液滴蒸发

-3.4 小结

--3.4.1液滴质量守恒+小结

-第三章 传质引论--第三章作业

第四章 化学动力学

-4.1 概述

--概述

-4.2 总包反应与基元反应

--总包反应与基元反应

-4.3 基元反应速率

--双分子反应和碰撞理论

--其他基元反应

-4.4 多步反应机理的反应速率

--净生成率

--反应速率常数与平衡常数关系

--稳态近似

--单分子反应机理

--链式反应和链式分支反应(一)

--链式反应和链式分支反应(二)

--化学时间尺度(一)

--化学时间尺度(二)

--部分平衡

-4.5 简化机理(选修)

--简化机理(选修)

-4.6 催化和非均相反应(选修)

--催化和非均相反应(选修)

-4.7 小结

--小结

-第四章 化学动力学--第四章作业

第五章 一些重要的化学机理

-5.1 概述

--概述

-5.2 H2-O2系统

--H2-O2系统

--H2-O2系统爆炸特性

-5.3 一氧化碳的氧化

--一氧化碳的氧化

-5.4 高链烷烃的氧化

--三步机理

--八步机理

--总包反应和准总包机理

-5.5 甲烷燃烧

--复杂机理和起源

--甲烷燃烧动力学

--高温反应途径分析

--低温反应途径分析

-5.6 氮氧化物

--氮氧化物的形成(一)

--氮氧化物的形成(二)

--氮氧化物的危害

-5.7 小结

--小结

-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业

第六章 反应系统化学与热分析的耦合

-6.1 概述

--6.1 概述

-6.2 定压-定质量反应器

--6.2 定压-定质量反应器

-6.3 定容-定质量反应器

--6.3 定容-定质量反应器

-6.4 全混流反应器

--6.4 全混流反应器

-6.5 柱塞流反应器

--6.5 柱塞流反应器

-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

--6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业

第七章 反应流的简化守恒方程

-7.1 概述和总质量守恒

--7.1 概述和总质量守恒

-7.2 组分质量守恒

--7.2 组分质量守恒

-7.3 多组分扩散(选修)

--7.3 多组分扩散(选修)

-7.4 动量守恒方程(选修)

--7.4 动量守恒方程(选修)

-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式

--7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式

-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义

--7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义

-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业

第八章 层流预混火焰

-8.1 概述及物理描述

--8.1 定义及重要特征与实验室典型火焰

-8.2 层流火焰分析

--8.2.1 简化分析

--8.2.1 简化分析(续)

--8.2.2 详细分析

-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素

--8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型

--8.3.2 火焰速度测量

-8.4 熄火、可燃性和点火

--8.4.1 冷壁熄火

--8.4.2 可燃极限和点火

-8.5 火焰稳定及小结

--8.5 火焰稳定及小结

-第八章 层流预混火焰--第八章作业

第九章 层流非预混火焰

-9.1 概述

--概述

-9.2 无反应的恒定密度层流射流

--物理描述

--求解

--两个例子

-9.3 射流火焰的物理描述

--射流火焰的物理描述

-9.4 简化理论描述

--概述

--守恒标量

--状态关系式

--各种不同的解法(一)(选修)

--9.4.5 各种不同的解法(二)(选修)

-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度

--圆口和槽型口燃烧器火焰长度

--火焰长度的影响因素

--两个例子

-9.6 碳烟的形成和分解

--碳烟的形成和分解

-9.7 对冲火焰(选修)

--对冲火焰(选修)

-9.8 小结

--小结

-第九章 层流非预混火焰--第九章作业

第十章 液滴的蒸发与燃烧

-10.1 概述

--概述

-10.2 液滴蒸发的简单模型

--基本假设

--气相分析

--气液界面能量平衡

--液滴寿命

-10.3 液滴燃烧的简化模型

--假设

--质量守恒和组分守恒

--温度分布

--液滴表面能量守恒

--火焰面处能量守恒

--液气平衡 总结和求解

--燃烧速率常数和液滴寿命

--例题

--扩展到对流条件

-10.4 一维蒸发控制燃烧

--物理模型和假设

--液滴数目和液滴相守恒

--总守恒方程

--气相成分和气相能量守恒

--液滴动量守恒 模型总结

--例题

-10.5 小结

--小结

-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业

第十一章 固体燃烧

-11.1 概述及燃煤锅炉

--11.1.1 概述

--11.1.2 燃煤锅炉

-11.2 非均相反应

--11.2.1 非均相反应及表面化学反应

--11.2.2 碳反应的半总包机理反应

-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型

--11.3.1 模型建立

--11.3.2 质量与组分守恒与表面化学动力学

--11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制

--11.3.4 能量守恒

-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型

--11.4.1 模型建立

--11.4.2 组分守恒、封闭性和表面化学反应

-11.5 颗粒燃烧速度

--11.5 颗粒燃烧速度

-11.6 煤的热解及燃烧

--11.6 煤的热解及燃烧

-第十一章 固体燃烧--第十一章作业

第十二章 湍流燃烧入门(选修)

-12.1 概述

--概述

-12.2 湍流现象与描述

--湍流的现象与描述

-12.3 湍流尺度

--湍流尺度

-12.4 湍流模型

--湍流模型方法(1)

--湍流模型方法(2)

-12.5 湍流预混火焰

--湍流火焰速度

--湍流火焰结构与模式

--12.5.3 例题

--层流火焰折皱模式

--分布式反应区模式和漩涡小火焰模式

--火焰稳定

-12.6 湍流非预混火焰

--射流火焰

--火焰长度

-12.7 湍流燃烧小结

--湍流燃烧小结

课程总结

-课程总结

--课程总结

湍流燃烧小结笔记与讨论

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