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湍流非预混火焰结构的多维条件矩封闭数值模拟

作　者: 胡勇
导　师: 蒋勇
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 湍流非预混火焰火焰结构条件矩封闭层流小火焰面模型热辐射火焰驻定自动点火含磷化合物火焰抑制
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

基于多维条件矩封闭方法,本文构筑建立了用于数值模拟火灾中常见的湍流非预混火焰的数值平台。该程序能够在考虑详细化学反应动力学机理下,获得对多维火焰结构的详细数值描述。在该数值平台下,本文对湍流非预混射流火焰进行了数值研究,其中有包括对局部熄火、不同的扩散效应、抬举火焰的驻定机理以及含磷灭火剂对火焰结构的抑制效果等问题的不同程度的讨论。对这些湍流燃烧现象的数值研究显示条件矩封闭作为独立新颖的湍流燃烧模型能够很好地反映复杂湍流‐化学间的耦合作用。条件矩封闭和层流小火焰面模型都是属于基于守恒标量一类的湍流燃烧模型,条件矩封闭模型的建立往往需要伴随着对层流小火焰面模型的理解。根据对这两种模型的理论对比分析,以及抛物型条件矩封闭和Lagrangian小火焰面模型在建模上的相似,在具有不同Reynolds数大小及湍流‐化学相互作用特性的标准湍流射流扩散火焰中（H₂/N₂, CH₄/H₂/N₂）对这两种模型进行了数值比较分析。考虑到在该类具有抛物型流场特性的射流火焰中,辐射热损失对远场火焰结构的重要影响,两种模型中对条件速度的不同封闭方法造成了对火焰结构的不同预测结果。抬举湍流射流火焰具有更为复杂的热动力学特性,自动点火被认为是其主要的火焰驻定机理。在利用椭圆型条件矩封闭对其进行数值研究中,通过对温度和微量组分（OH, H, O,HO₂）在当量混合分数等值线和r/D=1.04截面上的轴向分布的分析,尤其是HO₂的分布特点,表明自动点火对该火焰驻定的重要性,而对该火焰抬举高度附近条件温度控制方程中各物理化学贡献项的分析也进一步证明了自动点火在该火焰驻定区域中的存在。另外结果也表明该火焰结构对不同的化学动力学机理较为敏感,其中Mueller机理相比GRI2.11机理获得了更为合理的计算结果。作为哈龙灭火剂（CF₃Br）有效的替代品之一,含磷化合物（organophosphorus compounds, OPCs）由于能够有效的降低火焰燃烧速度和温度,而被寄予了很高的希望。利用条件矩封闭模型对含磷灭火剂磷酸三甲酯（TMP）在湍流H₂/N₂非预混火焰中的抑制作用的数值研究不仅证明了催化循环HOPO PO₂在火焰抑制中的重要性,同时还表明抑制剂的不同添加方式对抑制效果具有明显的影响。

湍流非预混火焰结构的多维条件矩封闭数值模拟

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