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1、第六讲第六讲 预混可燃气的湍流燃烧预混可燃气的湍流燃烧 实际各种燃烧装置中的燃烧过程往往都是湍流燃烧过程。实际各种燃烧装置中的燃烧过程往往都是湍流燃烧过程。所所谓谓湍湍流流的的确确切切定定义义尚尚难难明明确确，但但与与层层流流的的平平滑滑分分布布和和有有秩序流动相比较，可认为它具有：秩序流动相比较，可认为它具有： (1)(1)不规则性不规则性 只能用统计方法只能用统计方法 (2)(2)扩散性扩散性 传递速度加快传递速度加快 (3)(3)具具有有明明显显的的旋旋涡涡脉脉动动 （尺尺寸寸大大小小：含含能能大大、小小，脉动具有耗散性）脉动具有耗散性） (4)(4)是是一一种种流流动动（是是流流体体受
2、受约约束束转转弱弱的的自自收收运运动动状状态）态） 燃烧在湍流物中进行，即为湍流燃烧。燃烧在湍流物中进行，即为湍流燃烧。 6.1 湍流燃烧及其特点湍流燃烧及其特点以本生灯火焰为例以本生灯火焰为例: : 当当Re2300Re2300时，本生灯喷嘴火焰为层流火焰，它的火焰十时，本生灯喷嘴火焰为层流火焰，它的火焰十分薄，一般只有分薄，一般只有0.011.00.011.0毫米。在层流火焰中火焰前沿是很毫米。在层流火焰中火焰前沿是很光滑的，并且基本上成正圆锥形。光滑的，并且基本上成正圆锥形。 在湍流工况时，火焰根部前沿厚度增加不多，但在火焰锥在湍流工况时，火焰根部前沿厚度增加不多，但在火焰锥顶部，火焰明
3、显地变得很厚。在湍流工况下，火焰前沿很明顶部，火焰明显地变得很厚。在湍流工况下，火焰前沿很明显出现了脉动和弯曲，试验发现由于湍流脉动的结果，使得显出现了脉动和弯曲，试验发现由于湍流脉动的结果，使得湍流火炬的高度比层流短得多。湍流火炬的高度比层流短得多。湍流燃烧形式：湍流燃烧形式：1）预混气（燃料气及空气预混）预混气（燃料气及空气预混）2）扩散（燃料气及空气扩散）扩散（燃料气及空气扩散）层流火焰与湍流火焰的特点比较层流火焰与湍流火焰的特点比较当当Re2300时，湍流火焰（渐变过程）时，湍流火焰（渐变过程）a)火焰高度很小。说明火焰高度很小。说明STSlb)火焰前沿出现脉动和弯曲火焰前沿出现脉动和
4、弯曲c)收光区模糊收光区模糊d)有明显的噪音有明显的噪音e)有较宽的反应区域有较宽的反应区域对对于于层层流流火火焰焰，在在一一定定条条件件下下，火火焰焰传传播播速速度度与与试试验验装装置无关。置无关。在在研研究究湍湍流流燃燃烧烧时时，针针对对湍湍流流火火焰焰，同同样样期期望望确确定定其其传传播播速速度度时时，不不要要与与装装置置本本身身有有关关，以以带带有有共共性性，仅仅与与料料量量比比：、D等量数有关。等量数有关。事实证明这是不可能的。事实证明这是不可能的。在在某某些些化化学学当当量量比比下下，湍湍流流中中有有效效热热扩扩散散系系数数要要比比层层流流中中分分子子的的热热扩扩散散系系数数大大1
5、00倍倍，因因此此，湍湍流流火火焰焰的的理理论论概概念念不象层流火焰那样容易定义。不象层流火焰那样容易定义。 在能源、动力、航空和航天等工程领域，经常遇到的在能源、动力、航空和航天等工程领域，经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程. 在湍流燃烧中，湍流流动过程和化学反应过程有强烈在湍流燃烧中，湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响。的相互关联和相互影响。 湍流燃烧的认识湍流燃烧的认识 湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率，同时湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率，同时化学反应放热过程又影响着湍流，如何定量地来描述和确定化学反
6、应放热过程又影响着湍流，如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容. 。湍流燃烧的认识湍流燃烧的认识 组份方程和能量方程中的源项是化学反应源项组份方程和能量方程中的源项是化学反应源项； 化学反应中组份的生成化学反应中组份的生成(消耗消耗)率或能量的释放速率是反率或能量的释放速率是反应物浓度和反应流体温度的应物浓度和反应流体温度的强非线性函数；强非线性函数； 由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温度以及化学反由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温度以及化学反应速率都是随时间而脉动的，因此在湍流燃烧的数值模拟中，应速率都是随时间而脉动的，因此
7、在湍流燃烧的数值模拟中，不仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程不仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈确定的强非线性函数关系的脉动标量即时平均化学反应速率确定的强非线性函数关系的脉动标量即时平均化学反应速率的模拟。的模拟。 湍流燃烧模拟最基本的问题是反应速率的时均值不等于湍流燃烧模拟最基本的问题是反应速率的时均值不等于用时平均值表达的反应速率用时平均值表达的反应速率. 湍流燃烧火焰传播速度湍流燃烧火焰传播速度:湍流火焰前沿法向相对于新解可燃气运动的速度湍流火焰前沿法
8、向相对于新解可燃气运动的速度ST=uCOS测定测定S ST T的常用方法有二种。的常用方法有二种。 (1)(1) 定常开口火焰，本生灯法定常开口火焰，本生灯法 (2)(2) 定常封闭火焰定常封闭火焰 对于定常开口火焰，对于定常开口火焰，S ST T的大小测定的大小测定 (1)(1) 测得测得U U及及 (2) (2) 流入可燃预混气流量除以湍流火焰表面积流入可燃预混气流量除以湍流火焰表面积 如何确定如何确定F F是很困难的。是很困难的。 对于定常封闭火焰，困难如何确定火焰面积。对于定常封闭火焰，困难如何确定火焰面积。6.2湍流燃烧火焰传播速度湍流燃烧火焰传播速度本生灯的火焰前沿本生灯的火焰前沿
9、低雷诺数湍流低雷诺数湍流中，火焰出现皱折和抖动，在高速摄影中仍可发现火焰面基本连续 湍流火焰传播速度ST ST SL ST与流动状态有关 高雷诺数湍流燃烧 不再存在单一连续的火焰面，整个燃烧区由许多程度不同的已燃和未燃气团组成-“容积燃烧”影响燃烧速率的因素l流动状态l分子输运过程和化学动力学因素研究湍流火焰过程中发展起来的方法研究湍流火焰过程中发展起来的方法一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为另一类是湍流燃烧模型方
10、法，是以计算湍流燃烧速率为目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率分布函数输运方程模型和分布函数输运方程模型和ESCIMOESCIMO湍流燃烧理论。湍流燃烧理论。6.3湍流燃烧理论分析湍流燃烧理论分析湍流燃烧火焰分类：湍流燃烧火焰分类：小尺度湍流火焰小尺度湍流火焰不不规规则则运运动动的的气气体体微微团团的的平平均均尺尺寸寸相相对对小小于于混合气体的层流火焰前沿厚度，此时有混合气体的层流火焰前沿厚度，此时有大尺度湍流火焰大尺度湍流火焰湍流燃烧经典理论分析方法湍流燃烧经典理论分析方法强湍流火焰强湍流火焰湍湍流流的的脉脉动动速速度度远远大大于于
11、层层流流火火焰焰传传播播速速度度，此此时有：时有：弱湍流火焰弱湍流火焰湍流的脉动速度小于层流火焰传播速度，此时有湍流的脉动速度小于层流火焰传播速度，此时有湍流火焰稳定燃烧的条件：湍流火焰稳定燃烧的条件：一维湍流能量方程：一维湍流能量方程：为便于分析，取无量纲后：为便于分析，取无量纲后：Tm火焰最高温度火焰最高温度L特征尺度，可是直径、长度等特征尺度，可是直径、长度等 表征脉动强度（与主流速度之比），表征脉动强度（与主流速度之比），Lh湍流微团尺度湍流微团尺度 湍流湍流/层流时导温能力层流时导温能力之比之比 则有：则有： 如初温及压力变化不大如初温及压力变化不大,则则表征湍流火焰传播能力与脉动速
12、度与标尺有关表征湍流火焰传播能力与脉动速度与标尺有关.如如P,T固定固定湍流气流中火焰传播的表面燃烧模型湍流气流中火焰传播的表面燃烧模型此模型是在层流火焰传播理论的基础上发展起来此模型是在层流火焰传播理论的基础上发展起来的，即应用了火焰前沿的概念，并认为在湍流工的，即应用了火焰前沿的概念，并认为在湍流工况中燃烧速度之所以会增加是由于在气流脉动作况中燃烧速度之所以会增加是由于在气流脉动作用下使得火焰前沿表面产生弯曲，因而燃烧表面用下使得火焰前沿表面产生弯曲，因而燃烧表面F FT T增加增加; ;在每个可燃物微团外表面上，在每个可燃物微团外表面上，燃烧速度和层流火燃烧速度和层流火焰法线传播速度焰法
13、线传播速度S Sl l相同相同，因此湍流燃烧速度比层，因此湍流燃烧速度比层流燃烧速度的增大倍数应等于因气流脉动使火焰流燃烧速度的增大倍数应等于因气流脉动使火焰前沿表面积增大的倍数前沿表面积增大的倍数1)气气流流脉脉动动速速度度不不大大，湍湍流流标标尺尺lT比比层层流流火火焰焰前前沿沿厚厚度度小小,考考虑虑到到lT是是表表征征微微团团的的大大小小，气气流流脉脉动动对对火火焰焰前前沿沿的的歪歪曲曲不不会会很很大大，只只能能把把光光滑滑的的层层流流火火焰前沿变成波纹状焰前沿变成波纹状(图图a)。2)气气流流脉脉动动不不很很大大，湍湍流流标标尺尺大大于于层层流流火火焰焰前前沿沿厚厚度度的的情情况况。此
14、此时时火火焰焰前前沿沿弯弯曲曲得得很很厉厉害害，但但火火焰前沿还未被撕裂焰前沿还未被撕裂(图图b)。3)气气流流脉脉动动及及湍湍流流标标尺尺均均很很大大的的情情况况，此此时时火火焰焰前前沿沿被被撕撕裂裂得得四四分分五五裂裂，而而不不再再以以连连续续状状态态出出现现(图图c)。在在三三种种典典型型工工况况下下，火火焰焰前前沿沿表表面面积积的的计计算方法也大不相同。算方法也大不相同。邓克尔和萧尔金皱折火焰面模型邓克尔和萧尔金皱折火焰面模型一、一、小尺度湍流火焰小尺度湍流火焰邓克尔认为：邓克尔认为：1.小尺度火焰（小尺度火焰（）湍流仅增加火焰前面的物质输运）湍流仅增加火焰前面的物质输运系数系数(a)
15、,对火焰前的形状不产生影响对火焰前的形状不产生影响2.湍流的作用是增加了前沿厚度湍流的作用是增加了前沿厚度分析：分析：假定假定动量传递、传热、传质三者相似，且有：动量传递、传热、传质三者相似，且有：根据相似性，有：根据相似性，有：（其中：（其中：是湍流扩散系数）是湍流扩散系数）如是定常开口火焰，其湍流尺度如是定常开口火焰，其湍流尺度与管直径成正比与管直径成正比脉动速度脉动速度与与成正比，因此有：成正比，因此有：则则因此：因此：进一步谢尔金发展了这一模型：进一步谢尔金发展了这一模型：即当小尺度强湍流火焰即（即当小尺度强湍流火焰即（）时，）时，a，则有：则有：二、大尺度湍流火焰二、大尺度湍流火焰1
16、.火焰面基本结构仍是层流火焰面基本结构仍是层流2.湍流脉动在一定空间内使燃烧面弯曲、皱折甚至湍流脉动在一定空间内使燃烧面弯曲、皱折甚至破碎成破碎成“小岛小岛”状的封闭小块状的封闭小块3.增大了燃烧面积可表述为：增大了燃烧面积可表述为：4.进一步认为：燃烧表面积增大的倍数进一步认为：燃烧表面积增大的倍数仅与脉仅与脉动速度动速度以及层流火焰速度以及层流火焰速度Sl的比值有关。的比值有关。物理含义：湍流微团燃烧时间物理含义：湍流微团燃烧时间同脉动时间同脉动时间之比有关系。之比有关系。则则在强烈湍流火焰中，在强烈湍流火焰中，解释了强烈湍流中火焰张角或火焰长度几乎与来流解释了强烈湍流中火焰张角或火焰长度
17、几乎与来流速度无关。实际上：速度无关。实际上：谢尔金进一步发展这一理论：湍流火焰表面是由无数谢尔金进一步发展这一理论：湍流火焰表面是由无数锥形组成，这样：锥形组成，这样：根据火焰几何学，可以求得：根据火焰几何学，可以求得：ST实际上不仅与实际上不仅与有关而且与有关而且与有关。有关。湍流火焰皱折表面理论缺点湍流火焰皱折表面理论缺点只考虑了强烈脉动使反应表面得到增强，忽略了只考虑了强烈脉动使反应表面得到增强，忽略了燃烧产物和可燃气体强烈混合的作用。燃烧产物和可燃气体强烈混合的作用。实际上存在着一个反应区，其厚度为层流火焰，实际上存在着一个反应区，其厚度为层流火焰，前沿厚度的前沿厚度的10100倍。
18、倍。Summerfield容积模型容积模型基于空间放热速度的概念，根据反应区的现象结基于空间放热速度的概念，根据反应区的现象结合层流、湍流火焰传播的相似性，建立起容积燃烧模合层流、湍流火焰传播的相似性，建立起容积燃烧模型，这些模型可得出湍流火焰传播速度及其稳定燃烧型，这些模型可得出湍流火焰传播速度及其稳定燃烧的条件。的条件。一、假设一、假设1）在高）在高下，火焰是一个弥散的反应区下，火焰是一个弥散的反应区2）在反应区内火焰传播机理与层流火焰类似）在反应区内火焰传播机理与层流火焰类似3）热传导理论可适用于反应区的热量传递。）热传导理论可适用于反应区的热量传递。二、模型的建立二、模型的建立（其中：
19、（其中：a是预混气的热扩散系数；是预混气的热扩散系数；tc是平均化学反是平均化学反应时间）应时间）类似类似（其中：（其中：为涡粘性系数；为涡粘性系数；为反应区内反应为反应区内反应时间）时间）引入：引入：则：则：实际上：实际上：层流火焰前沿厚度；层流火焰前沿厚度；湍流火焰反应区厚度湍流火焰反应区厚度如将上式写为：如将上式写为：相似性假定方程，可根据相似性假定方程，可根据及及,求出求出湍流气流中火焰传播的容积燃烧模型湍流气流中火焰传播的容积燃烧模型（微扩散模型，数值计算）（微扩散模型，数值计算） 谢尔科夫，既考虑了湍流扩散因素，又谢尔科夫，既考虑了湍流扩散因素，又考虑了反应动力学因素，建立起容积燃
20、烧考虑了反应动力学因素，建立起容积燃烧数值计算方法，主要体现在：数值计算方法，主要体现在： （t tc c反应时间反应时间, , 性质）性质） 湍流扩散湍流扩散 湍流容积燃烧模型计算湍流容积燃烧模型计算两种模型的区别及其适用范围两种模型的区别及其适用范围火焰皱折模型火焰皱折模型容积燃烧模型容积燃烧模型(1)燃烧区域燃烧区域表面燃烧表面燃烧反应区反应区（内无燃烧产物）（内无燃烧产物）（混合气）（混合气）(2)燃烧的影响燃烧的影响湍流脉动湍流脉动与脉动反应动力与脉动反应动力学等因素均有关学等因素均有关(3)适用范围适用范围低湍流强度下低湍流强度下较宽较宽范围内范围内特别是强湍流时特别是强湍流时Ko
21、vasnay无量纲数无量纲数（科瓦斯纳）（科瓦斯纳）其中：其中：火焰来流的湍流速度梯度火焰来流的湍流速度梯度层流火焰传播速度梯度层流火焰传播速度梯度燃烧特征时间燃烧特征时间（穿过层流火焰厚度所需的时间）（穿过层流火焰厚度所需的时间）湍流脉动特征时间湍流脉动特征时间（穿过火焰前沿皱折所需的时间）（穿过火焰前沿皱折所需的时间）则：则：当当k1（tm湍流时间尺度湍流时间尺度此时，化学反应相对于局部湍流的变化是非常慢的此时，化学反应相对于局部湍流的变化是非常慢的;反应物混合相对很快反应物混合相对很快,且脉动通常由反应程度不同的涡且脉动通常由反应程度不同的涡旋所产生旋所产生,火焰限制了脉动的产生火焰限制
22、了脉动的产生,因此可以认为化学因此可以认为化学性质脉动在此种情况下相对较小性质脉动在此种情况下相对较小;时均反应率可以用平均变量计算出来的反应速度来表时均反应率可以用平均变量计算出来的反应速度来表示。示。反应时间尺度湍流时间尺度此时，化学反应速度由微观混合过程所控制，而不是化学反此时，化学反应速度由微观混合过程所控制，而不是化学反应动力过程起控制作用。应动力过程起控制作用。从总体来说，化学反应是快的，是可以认为处于局部瞬态平从总体来说，化学反应是快的，是可以认为处于局部瞬态平衡。在这类火焰中，湍流混合过程是控制反应速度的过程。衡。在这类火焰中，湍流混合过程是控制反应速度的过程。反应在反应物作混
23、合的瞬间即达到平衡。反应在反应物作混合的瞬间即达到平衡。对于这些情况，可以用守恒量或叫混合百分数来判别某处的对于这些情况，可以用守恒量或叫混合百分数来判别某处的“混合程度混合程度”。这种守恒量是局部瞬态当量比的一种度量，。这种守恒量是局部瞬态当量比的一种度量，并且在瞬态守恒量和瞬态化学性质之间并且在瞬态守恒量和瞬态化学性质之间( (例如组分、温度和密例如组分、温度和密度度) )存在着唯一的函数关系。存在着唯一的函数关系。几率分布密度函数几率分布密度函数PDF反应时间尺度湍流时间尺度对于此种情形，被称为有限速率反应。化学动力学与对于此种情形，被称为有限速率反应。化学动力学与湍流脉动两者必须被结合
24、起来考虑。应该说这是在化湍流脉动两者必须被结合起来考虑。应该说这是在化学反应中常见的情形。学反应中常见的情形。至今为止，这类化学反应是最复杂且是研究最缺乏的，至今为止，这类化学反应是最复杂且是研究最缺乏的，对于这种类型的燃烧情况是最需要我们进一步研究的。对于这种类型的燃烧情况是最需要我们进一步研究的。分布函数分布函数P(fP(f) )的概念的概念 间隔间隔t t的的时间分数，即几率。时间分数，即几率。处在处在范围内的时间范围内的时间 为空间任何一点由于瞬态质量分数为空间任何一点由于瞬态质量分数f f随时间随时间脉动而形成的混合物分数的统计分布脉动而形成的混合物分数的统计分布; ; 也称为瞬态质
25、量分数也称为瞬态质量分数f f的几率分布密度，简的几率分布密度，简写为写为PDFPDF 几率几率 产生某个值的可能性产生某个值的可能性几率分布密度函数的作用几率分布密度函数的作用局部湍流脉动的局部湍流脉动的统计是由守恒量的统计学来表征；统计是由守恒量的统计学来表征；将化学性质对将化学性质对PDF进行积分，可得到化学反应率；进行积分，可得到化学反应率；加入燃料和空气流特性，可以计及湍流对化学反应的影加入燃料和空气流特性，可以计及湍流对化学反应的影响。响。 6.5湍流预混火焰模型湍流预混火焰模型旋涡破碎模型（旋涡破碎模型（eddy-break-up eddy-break-up model)mode
26、l)拉切滑模型拉切滑模型 (stretch-cut-and-slide (stretch-cut-and-slide model)model)几率密度函数的输运方程模型几率密度函数的输运方程模型 SpaldingSpalding的的ESCIMOESCIMO湍流燃烧理论湍流燃烧理论旋涡破碎模型旋涡破碎模型(EBU)Eddy-Break-upEddy-Break-up (EBU)(EBU)基本思想基本思想在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学反应在这两种气团的交界面上发生，认为平均化学反反应在这两种气团的交界面上发生，认为平均化学反应率决定于末燃气团在
27、湍流作用下破碎成更小气团的应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比速率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比对旋涡破碎模型的评价对旋涡破碎模型的评价功绩在于正确地突出了流动因素对燃烧速率的控制作用，给出了简单的计算公式，为湍流燃烧过程的数学模拟开辟了道路。不足：该模型未能考虑分子输运和化学动力学因素的作用适用范围：一股说来，EBU模型只适用于高雷诺数的湍流预混燃烧过程。 基本思想(Spalding, 1976 ) 把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃气团；把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃气团；气团在湍流的作用下受到拉伸和切割，重新组合
28、，气团在湍流的作用下受到拉伸和切割，重新组合，不均匀性尺度下降；在未燃气和已燃气界面上存在不均匀性尺度下降；在未燃气和已燃气界面上存在着连续的火焰面，它以层流火焰传播速度向末燃部着连续的火焰面，它以层流火焰传播速度向末燃部分传播。分传播。拉切滑模型拉切滑模型 (stretch-cut-and-slide (stretch-cut-and-slide model)model)气团尺度的变化过程气团尺度的变化过程考虑一个单位厚度的流体块，设其中每层流体块的平均厚度为，则该流体块中一共有1/层流体。在湍流作用下各层流体的厚度不断减小，流体块内的流体层数不断增加。 定量分析湍流燃烧过程的方法定量分析湍
29、流燃烧过程的方法 定量地分析点火、熄火和污染等受化学动力学定量地分析点火、熄火和污染等受化学动力学因素强烈影响的湍流燃烧过程是迫切需要解决因素强烈影响的湍流燃烧过程是迫切需要解决的问题的问题 概率分布函数的输运方程模型概率分布函数的输运方程模型平均反应速率的输运方程模型平均反应速率的输运方程模型 ESCIMOESCIMO理论理论ESCIMO湍流燃烧理论 概述正确的理论来源于对实际过程的观察、归纳和提高正确的理论来源于对实际过程的观察、归纳和提高湍流平面混合层的拟序结构湍流平面混合层的拟序结构旋涡在两层流体互相卷吸和吞食中产生，旋涡在均流不均匀旋涡在两层流体互相卷吸和吞食中产生，旋涡在均流不均匀
30、性作用下不断被拉伸（性作用下不断被拉伸（stretching）、）、生长，构成旋涡的两生长，构成旋涡的两层流体互相粘附在一起，流体层的厚度在拉伸作用下变薄，层流体互相粘附在一起，流体层的厚度在拉伸作用下变薄，如果具备条件，在两层流体互相扩散的同时，发生化学反应。如果具备条件，在两层流体互相扩散的同时，发生化学反应。形象地表示了大尺度湍流输运和小尺度分子扩散之间的区别形象地表示了大尺度湍流输运和小尺度分子扩散之间的区别和联系和联系ESCIMO理论是湍流平面混合层的拟序结构的概括 E，engulfment：卷卷吞吞，描描述述在在大大尺尺度度湍湍流流作作用用下下，一一种种流流体体被被另另一一种种流流
31、体卷吞的过程。体卷吞的过程。S，stretching：拉拉伸伸，描描述述迭迭在在一一起起的的流流体体层层长长度度增增加加、厚厚度度减减小小的的过过程。程。C，coherence：粘粘附附，描描述述流流体体层层不不愿愿分分离离的的一一种种趋趋势势，认认为为两两层层流流体体一一旦旦由由于于卷卷吞吞碰碰到到一一起起，那那么么在在传传输输、拉拉伸伸和和化化学学反反应应的的过过程程中中都都不不会分开，它们互相粘附在一起。会分开，它们互相粘附在一起。I，interdiffusion和和化化学学上上的的interaction：相相互互扩扩散散和和化化学学反反应应，描描述述在在流流体体层层受受拉拉伸伸的的过过
32、程程中中，发发生生在在流流体体层层内内部部及及其其交交界界面面上上的的扩扩散散和和化化学反应。学反应。MO，movingobserver：运运动动观观察察者者，意意味味着着为为了了描描述述相相互互扩扩散散和和化化学学反应，把坐标系取在流体层上，与流体一起运动。反应，把坐标系取在流体层上，与流体一起运动。ESCIMO理论的发展过程Spalding提出该理论的基本思想提出该理论的基本思想马世倚和马世倚和Noseir用用SCRS处理处理“经历经历”、在、在“统计统计”中采用单一中采用单一空间坐标的分布函数空间坐标的分布函数Tam在在“经历经历”部分采用复杂化学反应模型，而在部分采用复杂化学反应模型，
33、而在“统计统计”部分则认为分布函数在空间分布均匀（零维模型）部分则认为分布函数在空间分布均匀（零维模型）马世琦和马世琦和Sun集中发展了分布函数的二维抛物型输运方程，集中发展了分布函数的二维抛物型输运方程，在在“经历经历”部分则采用化学平衡假设和剖面法这一近似解部分则采用化学平衡假设和剖面法这一近似解法法范维澄在范维澄在“统计统计”部分继承了部分继承了Sun的工作，而在的工作，而在“经历经历”部分用有限差分法取代剖面法，用有限速率反应模型取代部分用有限差分法取代剖面法，用有限速率反应模型取代化学平衡假设、并以此对湍流射流扩散火焰的悬举和吹熄化学平衡假设、并以此对湍流射流扩散火焰的悬举和吹熄进行
34、了成功的数值分析进行了成功的数值分析ESCIMO理论的发展特点是在是在“经历经历”和和“统计统计”两个方面交替进行的，两个方面交替进行的，在每个阶段都用发展了的在每个阶段都用发展了的“经历经历”和和“统计统计“的综合去分析一个实际燃烧现象，并把结果与的综合去分析一个实际燃烧现象，并把结果与实验数据对比，用以检验发展中的理论，目前实验数据对比，用以检验发展中的理论，目前整个理论仍处于发展之中。整个理论仍处于发展之中。ESCIMO理论的组成目的目的l描述流体夹层内的相互扩散和化学反应描述流体夹层内的相互扩散和化学反应l表征湍流脉动的统计平均性质，并从而定量描表征湍流脉动的统计平均性质，并从而定量描
35、述整个湍流过程述整个湍流过程ESCIMO理论的构成、理论的构成、l“经历经历”（biography）l“统计统计”（demography）二者的综合二者的综合“经历”部分的任务夹层块在大尺度涡旋上的位置如图夹层块在大尺度涡旋上的位置如图“经历经历”把注意力集中到一个流体夹层块（简称夹层块）上，把注意力集中到一个流体夹层块（简称夹层块）上，考虑它由产生到消失的全过程。考虑它由产生到消失的全过程。认为：夹层块（认为：夹层块（Fold）由卷吞过程产生，由不同的两层流体由卷吞过程产生，由不同的两层流体构成，这两层流体贴在一起，在运动中受到拉伸作用而越来构成，这两层流体贴在一起，在运动中受到拉伸作用而越
36、来越薄，最后夹层块由于被越薄，最后夹层块由于被“再卷吞再卷吞”或流出所研究的体系而或流出所研究的体系而消失。在夹层块的生存过程中有扩散或化学反应在其内部进消失。在夹层块的生存过程中有扩散或化学反应在其内部进行。行。任务：解出夹层块的物理化学状态随其任务：解出夹层块的物理化学状态随其“年龄年龄”变化的规律。变化的规律。“年龄”指夹层块从诞生到研究的那时刻所经过的时间。指夹层块从诞生到研究的那时刻所经过的时间。因此可以生动地认为每个流体夹层块经历了由因此可以生动地认为每个流体夹层块经历了由诞生、长大变老直至死亡的全部生命过程。诞生、长大变老直至死亡的全部生命过程。“统计”部分的任务是要解决构成湍流
37、场的夹层块的分布规律。是要解决构成湍流场的夹层块的分布规律。表征夹层块的参数：分别用它们的年龄、诞生状态和尺寸表征夹层块的参数：分别用它们的年龄、诞生状态和尺寸等。等。困难：如果综合考虑这些因素，必然使得分布函数过于复困难：如果综合考虑这些因素，必然使得分布函数过于复杂而无法求解，如果只考虑一个因素，而简单地抛弃其它杂而无法求解，如果只考虑一个因素，而简单地抛弃其它因素，则往往与实际过程偏离过大（特殊情况例外）。因素，则往往与实际过程偏离过大（特殊情况例外）。一个较好的折衷办法：选择一个独立因素，而把其它因素一个较好的折衷办法：选择一个独立因素，而把其它因素设法与这独立因素联系起来，这样既使得
38、分布函数较为简设法与这独立因素联系起来，这样既使得分布函数较为简单，又综合考虑了各种因素的影响。单，又综合考虑了各种因素的影响。目前的处理方法：选择夹层块的年龄作为独立因素，目前的处理方法：选择夹层块的年龄作为独立因素，借助于在流场某点的夹层块的年龄的分布函数借助于在流场某点的夹层块的年龄的分布函数PA(A)来描述夹层块的分布特性。来描述夹层块的分布特性。PA(A)dA代表了年龄在代表了年龄在A到到(A+dA)区间的夹层块的数目比例。区间的夹层块的数目比例。具体的，对于量具体的，对于量，“经历经历”提供的是提供的是在年龄为在年龄为A的夹层块中的平均值的夹层块中的平均值(x,y,z,A)，“统计
39、统计”提供提供的是夹层块的分布函数的是夹层块的分布函数PA(x,y,z,A)，所以所以的统的统计平均值是计平均值是“经历”理论 在在“经历经历”部分，研究的全部的注意力集中在部分，研究的全部的注意力集中在一个流体夹层块上。一个流体夹层块上。这个夹层块可以看成大尺度旋涡的一个组成部这个夹层块可以看成大尺度旋涡的一个组成部分，它的内外表面恰好分别与两层流体的中间分，它的内外表面恰好分别与两层流体的中间对称面重合。这样就可以把在夹层块中发生的对称面重合。这样就可以把在夹层块中发生的过程抽象成一维平面不稳定过程，在它的两个过程抽象成一维平面不稳定过程，在它的两个边界上各个量的梯度为零。边界上各个量的梯
40、度为零。原则上用二维抛物型方程的定解问题来描述夹层块的原则上用二维抛物型方程的定解问题来描述夹层块的“经历经历”是没有什么问题的，实际应用时遇到的困难是没有什么问题的，实际应用时遇到的困难主要是给出定解问题的初始条件，和确定夹层块厚度主要是给出定解问题的初始条件，和确定夹层块厚度在拉伸作用下的变化规律。在拉伸作用下的变化规律。这两个问题的解决方法因分析的具体现象而异。这两个问题的解决方法因分析的具体现象而异。主要因素：湍流、分子输运和化学动力学三个因素的主要因素：湍流、分子输运和化学动力学三个因素的相对强弱对夹层块内部过程的影响相对强弱对夹层块内部过程的影响燃烧方式在各种实际过程中，三个特征时
41、间在各种实际过程中，三个特征时间ts,td和和tr之间的相对之间的相对大小不同，直接关系到夹层块内的燃烧方式。大小不同，直接关系到夹层块内的燃烧方式。三种燃烧方式：三种燃烧方式：l层流火焰传播速度控制层流火焰传播速度控制(trtdts)l拉伸速率控制拉伸速率控制(trtd，tstd和和trts)层流火焰传播速度控制燃烧方式-1条件：条件：trtdts特点：在夹层块内部有一个火焰面以层流火焰传播速特点：在夹层块内部有一个火焰面以层流火焰传播速度向未燃气一方运动度向未燃气一方运动夹层块烧完的时间夹层块烧完的时间tbtb=C(tdtr)1/2C是比例常数是比例常数影响影响tb的主要因素：化学反应时间
42、和扩散时间，这两个的主要因素：化学反应时间和扩散时间，这两个因素综合体现在层流火焰传播速度这个量中因素综合体现在层流火焰传播速度这个量中层流火焰传播速度控制燃烧方式-2产生的条件产生的条件l大尺度的流动大尺度的流动l中等强度湍流中等强度湍流l预混火焰预混火焰满足这些条件的实际过程满足这些条件的实际过程l大气中的爆燃大气中的爆燃l汽油发动机中的燃烧汽油发动机中的燃烧拉伸速率控制的燃烧方式-1在在trtd，tstd和和trts的情况下发生的情况下发生特点：由于拉伸和分子扩散速率大大超过化学反应速特点：由于拉伸和分子扩散速率大大超过化学反应速率，使得在夹层块内部参数基本均匀后才发生显著的率，使得在夹
43、层块内部参数基本均匀后才发生显著的化学反应化学反应夹层块的燃尽时间夹层块的燃尽时间 代表反应度，代表反应度，代表反应度的变化率；代表反应度的变化率；0代表夹层块的代表夹层块的初始平均反应度。初始平均反应度。化学动力学控制的燃烧方式-2在这种燃烧方式中，在这种燃烧方式中，tb完全受化学动力学控制，同时与完全受化学动力学控制，同时与初始反应度初始反应度0有很大关系；由于夹层块（其实由于极迅有很大关系；由于夹层块（其实由于极迅速的扩散，所谓夹层已不存在）内部参数均匀，所以速的扩散，所谓夹层已不存在）内部参数均匀，所以计算起来特别简单。计算起来特别简单。化学动力学控制的燃烧方式-3发生的条件发生的条件
44、l小尺度流动小尺度流动l低反应能力和高湍流度低反应能力和高湍流度相应的实际过程相应的实际过程l良搅拌反应器良搅拌反应器l火焰稳定器后面的回流区火焰稳定器后面的回流区l高湍流强度的燃烧室高湍流强度的燃烧室说明以上把燃烧方式划分成了三类，只是为了分析方便，还存在以上把燃烧方式划分成了三类，只是为了分析方便，还存在着过渡的燃烧方式着过渡的燃烧方式ESCIMO理论有能力定量地分析上述各种燃烧方式及考虑诸理论有能力定量地分析上述各种燃烧方式及考虑诸因素对燃烧速率的影响。因素对燃烧速率的影响。在化学动力学和分子输运方面可以使用需要的任何模型。在化学动力学和分子输运方面可以使用需要的任何模型。Spaldin
45、g和和Tam曾成功地把由曾成功地把由7个基元反应构成，含有个基元反应构成，含有8种中间种中间成分的成分的“氢氢空气空气”火焰的反应机理，以及建立在火焰的反应机理，以及建立在ChapmanEnskog理论基础上的计算双元扩散系数的理论基础上的计算双元扩散系数的Lennard-Jones模型应用于模型应用于“经历经历”部分的计算。部分的计算。“统计”理论 “统计统计”的任务：寻找年龄分布函数的任务：寻找年龄分布函数PA采用的方法：分析影响采用的方法：分析影响PA的因素，建立的因素，建立PA的微的微分方程，求其分析解或数值解。分方程，求其分析解或数值解。发展过程：发展过程：l由简单到复杂由简单到复杂
46、，PA的微分方程也一样的微分方程也一样l就其在空间的独立变量数目而言，可以分就其在空间的独立变量数目而言，可以分为零维、一维、多维为零维、一维、多维l目前仅发展到二维抛物型。目前仅发展到二维抛物型。零维PA方程 零维：认为凡在空间的分布是均匀的，例如在良搅零维：认为凡在空间的分布是均匀的，例如在良搅拌器中就是如此。拌器中就是如此。在零维系统内，在零维系统内，PA的变化主要是由于夹层块年龄增的变化主要是由于夹层块年龄增大及被卷吞而造成的。大及被卷吞而造成的。Spalding在在1978年提出了相应的年提出了相应的PA方程：方程：(3-94)PA是夹层块的生成速率是夹层块的生成速率t和和A都具有时
47、间量纲，但它们的意义不同都具有时间量纲，但它们的意义不同t和A意义是不同的：lt表示研究的时刻，对于稳定过程，各个量是不随研究时刻的不同而变化的；lA则表示夹层块的年龄，即使在稳定过程中，夹层块的年龄也会不断增长。 停留时间的概念 一个稳定的良搅拌反应器，气体在发应器内的停留一个稳定的良搅拌反应器，气体在发应器内的停留时间时间tre可定义成可定义成代表反应器内物质的密度，代表反应器内物质的密度，V是反应器的容积；是反应器的容积；是通过反应器的质量流率。是通过反应器的质量流率。停留时间停留时间tre对反应器状态有十分重要的影响对反应器状态有十分重要的影响l如果如果tre趋于无穷大，则反应器会处于
48、化学热力学平衡状态趋于无穷大，则反应器会处于化学热力学平衡状态l如果如果tre趋于零，则反应器熄火趋于零，则反应器熄火夹层块生成速率假设构成反应器的所有夹层块具有一样的组成，假设构成反应器的所有夹层块具有一样的组成，即未燃气层的质量分数都是即未燃气层的质量分数都是M0，那么整个反应那么整个反应器内包含的未燃气质量是器内包含的未燃气质量是M0V。流进反应器的都是未燃气，其流率是流进反应器的都是未燃气，其流率是，这些，这些未燃气一进入反应器便全部参与构成新的夹层未燃气一进入反应器便全部参与构成新的夹层块块因此可以用量因此可以用量来表征夹层块生成的快慢来表征夹层块生成的快慢在稳定过程中，在稳定过程中，是常数是常数对于稳定工作的良搅拌器，简化成对于稳定工作的良搅拌器，简化成定解条件定解条件解解引入引入tre，该解可表示成该解可表示成可见，在良搅拌器中，夹层块的年龄分布函数有解析表达可见，在良搅拌器中，夹层块的年龄分布函数有解析表达式，随着年龄的增长，其分布按指数规律迅速下降式，随着年龄的增长，其分布按指数规律迅速下降模型评价在解释湍流燃烧现象方面做出了极大贡献在解释湍流燃烧现象方面做出了极大贡献;提出了一个实践性强提出了一个实践性强,实证性好的分析方法实证性好的分析方法;在理论上和实验对比上有待进一步发展在理论上和实验对比上有待进一步发展.
