第三讲化学反应流体动力学模型.ppt

3.化学反应模型（续）复杂化学反应系统作为实际反应系统应描述复杂化学反应和流动过程的相互作用。（有限反应速率）以一维非定常层流扩散火焰为例：1）控制方程组连续方程组分平衡方程滞止焓平衡方程第30页，共47页，星期日，2025年，2月5日3.化学反应模型（续）复杂化学反应系统（续）2）化学反应化学反应的影响主要体现在源项中，考虑一个由NS种化学组分构成，可以发生JJ个基元可逆反应的系统。化学反应方程式源项反应速率j=1,2,……JJ反应速度常数第31页，共47页，星期日，2025年，2月5日3.化学反应模型（续）复杂化学反应系统（续）3）输运系数假设第i种组分在系统中的扩散系数可以用该系统中的双元扩散系数确定。混合物的粘性系数可用各个组分单独的粘性系数来表示。4）热力学性质把有关的组分的热力学性质（焓、熵、比热容等）表示成温度的函数。第32页，共47页，星期日，2025年，2月5日4.点火模型点火基本概念点火是化学反应流体动力学的启动过程。点火是一个很有意义的不稳定燃烧过程。点火的基本过程以电火花点火为例，在一定条件下，电火花将点燃周围的可燃混合气，产生火焰，火焰在混气中传播，这就是所谓成功的点火。第33页，共47页，星期日，2025年，2月5日第1页，共47页，星期日，2025年，2月5日化学反应流体动力学概念流动过程和模型化学反应模型点火模型状态方程实例介绍化学反应流体动力学模型第2页，共47页，星期日，2025年，2月5日1.化学反应流体动力学概念化学反应流体动力学现象：燃烧：一种带有剧烈化学反应的流动现象。实际燃烧过程是一个包含流体流动、传热和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程。化学爆炸：由于物质在一定的条件下产生化学，在反应的过程中，急剧释放能量而引起爆炸。爆轰：化学反应阵面沿炸药超声速传播的过程。第3页，共47页，星期日，2025年，2月5日1.化学反应流体动力学概念（续）化学反应流体动力学基本内涵：流动：物质在空间中的运动。化学反应：物质组成和性质的变化，新物质的生成，旧物质的消亡。动力学：物质系统演化的起始、发展和结束，是时间历程的函数。状态：某一时间t、位置r物质的性质，局部迅速热动平衡假设。第4页，共47页，星期日，2025年，2月5日2.流动过程与模型层流和湍流的概念层流：一种有规则的流动状态。湍流：一种无规则的流动运动，在湍流中各种量呈现着随时间和空间的随机变化，但这些量的统计平均值的变化是有规则的。两种状态的区分：雷诺数第5页，共47页，星期日，2025年，2月5日2.流动过程与模型（续）湍流的产生所流过的固壁的摩擦作用－－固壁湍流具有不同速度的流体层之间的相互作用－自由湍流定量描述湍流参量湍流尺度：包括长度尺度和时间尺度，取决于所研究体系的尺寸和流体的特征速度湍流强度（湍流脉动动能）：湍流的脉动具有拟周期性，可以看作具有不同脉动频率的运动的叠加。第6页，共47页，星期日，2025年，2月5日2.流动过程与模型（续）湍流均流的描述为什么要引入平均直接模拟难题：为描述小尺度湍流特性，必须把研究体系至少分成相当于该尺度大小的网格，现有计算机的存储量和运算速度与要求相距甚远。Kolmogorov小尺度定义如体系特征尺寸0.2m，每个小涡团每个方向上5个网格则：所需网格（125×1e9--?1e11）第7页，共47页，星期日，2025年，2月5日2.流动过程与模型（续）湍流均流方法时间平均空间平均概率平均定常或准定常均匀流场不定常、不均匀对体系湍流流量进行时间平均公式湍流脉动量定义第8页，共47页，星期日，2025年，2月5日2.流动过程与模型（续）湍流均流控制方程（雷诺方程）连续方程动量方程能量方程均流控制方程一般形式组分方程推导方法：对各因变量雷诺分解，进行雷诺平均第9页，共47页，星期日，2025年，2月5日2.流动过程与模型（续）流体流动基本方程连续方程动量方程能量方程流体流动方程一般形式组分方程第10页，共47页，星期日，2025年，2月5日2.流动过程与模型（续）湍流均流方程组与基本方程组的异同1）两者在形式上一样，由时间导