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钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较
1.引言
湍流扩散火焰是人们生活中十分常见的火焰形式，在燃烧学领域中也是一个深入研究的课题。随着计算机技术的不断发展，研究者们通过计算流体力学、化学动力学等数值方法对湍流火焰进行数值模拟，为理解湍流火焰的燃烧机制提供了可靠的途径。本文将通过比较不同湍流模型的计算结果，探究钝体驻定湍流扩散火焰燃烧模型的差异，为深入理解湍流火焰的燃烧机制提供一定的参考。
2.理论分析
2.1燃烧过程
钝体驻定湍流扩散火焰的燃烧过程可分为以下几个阶段：预混合阶段、点火阶段、火焰加速阶段、均匀燃烧阶段和不稳定燃烧阶段。预混合阶段是指燃料与氧气在空气中充分混合的过程；点火阶段是指灯芯等热源将混合后的燃料与氧气点燃的过程；火焰加速阶段是指火焰的温度和压力迅速上升的过程，此时可见明显的火焰舌；均匀燃烧阶段是指火焰维持稳定温度和速度的阶段；不稳定燃烧阶段则是指火焰形态不断变化，燃烧稳定性降低的过程。
2.2湍流模型
湍流模型是数值模拟中用于计算湍流流场的数学模型，常见的湍流模型包括k-ε模型、Reynolds应力模型、实验型长模型等。本研究选用的两个湍流模型分别是k-ε模型和Reynolds应力模型。
2.3燃烧模型
燃烧模型是数值模拟中用于计算燃烧过程的数学模型，常见的燃烧模型包括化学反应模型、预混合模型和湍流扩散模型等。本研究选用的两个燃烧模型分别是EddyDissipationConcept(EDC)模型和SteadyLaminarflamelet(SLF)模型。
3.数值模拟
本研究选取CHEMKIN软件进行数值模拟，模拟研究的钝体长度为2mm，使用CH4/O2/N2为混合气，混合比为0.7/0.2/0.1，湍流强度为5m/s，温度为298K，压力为1atm。模型采用二维轴对称模型，计算域大小为4mmx2mm，网格划分为400个。
4.结果分析
4.1k-ε模型vs.Reynolds应力模型
通过比较k-ε模型和Reynolds应力模型计算结果可以发现，两者所得的湍流火焰形态和轮廓相似，但Reynolds应力模型计算结果的温度场变化更加细致，非常适合研究火焰结构变化。
4.2EDC模型vs.SLF模型
EDC模型基于湍流扩散快反应和指数反应进行数值计算，而SLF模型则将燃烧过程分为分层预混合层和相对薄的火焰层。通过比较两种模型所得的温度和物质浓度变化，可以发现SLF模型模拟结果更加准确，表现出更加细致的温度和物质浓度变化，尤其在不稳定燃烧阶段表现更为明显。
5.结论
通过比较不同模型的计算结果，可以发现不同的模型会影响模拟结果的准确性，选择合适的模型可以提高数据的可靠性和准确性，有助于深入解析湍流火焰的燃烧机制。在本研究中，Reynolds应力模型在研究火焰结构的变化方面表现更为适合，而SLF模型在湍流火焰热力学和物质浓度方面表现更准确。