当前课程知识点:燃烧理论 > 第十二章 湍流燃烧入门(选修) > 12.7 湍流燃烧小结 > 湍流燃烧小结
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
-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
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-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
--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
--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
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--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)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-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
-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
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-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
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(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
-7.6 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
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-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
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--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
-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
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--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
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-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
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--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