小火焰生成流形

小火焰生成流形 (FGM) 模型与化学平衡 (CE) 模型和稳态层流小火焰 (SLF) 模型不同,因为小火焰生成流形模型包括一个表示反应进展的进展变量,用于对热化学进行参数化。FGM 模型适用于对预混和部分预混火焰建模。

在当前实现中,可以使用 0D 恒压反应器或 1D 预混应变或自由传播小火焰来生成流形。热化学通过混合分数、热损失率(与 CE 中的定义相同)以及进展变量进行参数化。

非标准化进展变量

FGM 模型可对非标准化进展变量 y 的传输方程进行求解。

非标准化进展变量定义如下:
1. EQUATION_DISPLAY
y = Σ ( W k Y k )
(3532)

其中, W k 为第 k 个组分权重, Y k 为第 k 个组分的质量分数。

y Favre 平均传输方程可以写为:

2. EQUATION_DISPLAY
ρyt+(ρuy)-(Γyy)=ω˙y
(3533)
为了清晰起见,Overbars(RANS 平均)和 overtildes(Favre 平均)被排除。
其中, ω ˙ y 为非标准化进展变量源项, Γ y 为根据材料属性计算的扩散率:
3. EQUATION_DISPLAY
Γ y = ρ D l a m + μ t σ t , y
(3534)
  • D l a m 为层流扩散率。
  • μ t 为湍流粘度。
  • σ t , y 为非标准化过程变量的湍流施密特数。

则进展变量定义为:

4. EQUATION_DISPLAY
c=y-yuyb-yu
(3535)

其中:

  • y 为混合物的非标准化进展变量 Eqn. (3532)
  • yu 为初始未燃烧状态下的非标准化进展变量。
  • yb 为燃烧(平衡)状态下的非标准化进展变量。
Unnormalized Progress Variable Variance(非标准化进展变量变化)

有两个选项可用于计算 Unnormalized Progress Variable Variance(非标准化进展变量变化):

  • 代数关系

    此选项使用以下方程计算非标准化进展变量变化:

    5. EQUATION_DISPLAY
    y v a r = c v Δ 2 ( y m e a n ) 2
    (3536)

其中,

c v = 模型常数

Δ = 网格尺寸

代数关系选项适用于大涡模拟 (LES)。

  • 传输方程

    此选项使用传输方程计算非标准化进展变量变化:

    6. EQUATION_DISPLAY
    t ( ρ y v a r ) + ( ρ U y v a r - Γ y y v a r )   = 2 μ t σ t , y var t r   ( y ) 2 - C d ρ ε k y v a r
    (3537)

    其中

    7. EQUATION_DISPLAY
    y v a r = ( y y m e a n ) 2 ¯
    (3538)

σ t , y var = 过程变量变化的湍流施密特数

C d = 耗散常数

进展变量源
Eqn. (3533) 中的项 ω˙y 使用不同的源项,具体取决于为进展变量源选择的选项:
  • FGM 动能速率

    Eqn. (3533) 中的源项 ω ˙ y 将基于从 FGM 表插值的化学动力学反应率计算得出。

  • 拟序火焰模型 (CFM)

    源项,Eqn. (3533) 中的 ω ˙ y , c f m ,将基于 CFM 火焰传播方法 Eqn. (3555) 计算得出。

  • 湍流火焰封闭 (TFC)

    源项,Eqn. (3533) 中的 ω ˙ y , t f c ,将基于 TFC 火焰传播方法 Eqn. (3556) 计算得出。

FGM 制表
独立变量是:
  • 混合分数 Z
  • Heat Loss Ratio(热损失率) γ
  • 过程变量 c
0D 点火反应器类型控制方程
在制表过程期间,将对每个 Z γ 求解以下方程。
8. EQUATION_DISPLAY
{Yit=Ri,kinTt=Σi=1NhiRi,kinCp
(3539)
物理时间 t 时的每个点将转换为 Eqn. (3535) 中对应的进展变量 c
1D 预混应变反应器类型控制方程
对于 1D 预混小火焰,在混合分数固定的进展变量空间中求解以下反向流体预混方程,请参见 Eqn. (3535)
假设路易斯数为 1,反应过程空间中的反向流体应变预混火焰方程为:
10. EQUATION_DISPLAY
Yiτ=χc2Yic2+ω˙iρYicω˙cρ
(3541)
11. EQUATION_DISPLAY
Tτ=χcCp(Cpc+Σi=1NCpiYic)Tc+χc2Tc21ρCpΣi=1Nhiω˙iTcω˙cρ
(3542)
其中, τ 为伪时间, T 为温度, Y i i t h 组分的质量分数, C p 为热容, ρ 为密度。 h i ω ˙ i 分别为组分 i t h 的焓和反应率。 ω ˙ c 是根据 Eqn. (3532)Eqn. (3535) 计算的过程变量反应率。方程在伪时间中进行积分,直到左侧的非稳态项变小为止。对于温度和后处理组分,残差定义为所有点上非稳态项的归一化绝对值的总和。当此残差小于指定的“小火焰收敛容差”参数时,会将方程视为已收敛。
1D 预混流形 FGM 表中的进展变量耗散率(在任意 Z c 处计算)定义如下:
12. EQUATION_DISPLAY
χc(Z,c)=χZexp[2(erfc1(2c))2]
(3543)
其中, erfc1 为补余误差函数的倒数,χZ Z 方向上的标量耗散函数,如下所示:
13. EQUATION_DISPLAY
χZ=χZ,stoexp[2(erfc1(ZZsto))2]
(3544)
其中, χ Z , s t o 为化学计量条件下进展变量的指定最大耗散率。
1D 预混自由传播反应器类型控制方程
用于进展变量空间中自由传播预混火焰的方程,假设混合物平均扩散为 [765]
14. EQUATION_DISPLAY
Y i τ = g c 2 D i 2 Y i c 2 + g c ρ c ( ρ g c ( D i + Y c V c ) ) Y i c g c ρ c ( ρ g c Y i V * ) + ω ˙ i ρ Y i c ω ˙ c ρ
(3545)
15. EQUATION_DISPLAY
T τ = g c ρ ( 1 C p c ( g c λ ) + c ( ρ g c Y c V c ) ρ g c C p Σ i C p , i ( D i Y i c + Y i V * ) ) T c + g c 2 λ ρ C p 2 T c 2 1 ρ C p Σ i h i ω ˙ i T c ω ˙ c ρ
(3546)
16. EQUATION_DISPLAY
g c τ = g c 2 ρ 2 c 2 ( ρ g c Y c V c ) + g c ρ ω ˙ c c ω ˙ c ρ g c c
(3547)
层流火焰速度由以下方程计算的解确定:
17. EQUATION_DISPLAY
S u = 1 ρ 0 ( ( g c ρ Y c V c ) c + ω ˙ c g c )
(3548)
其中, g c 为物理空间中的进展梯度, D i 为扩散系数组分 i λ 为导热率, ρ 0 为未燃烧气体密度。
Y c V ˜ c 为进展变量的扩散通量:
18. EQUATION_DISPLAY
Y c V c = Σ i W i ( D i Y i c + Y i V * )
(3549)
W i 表示用于计算进展变量的组分权重, V * 为组分扩散的修正项:
19. EQUATION_DISPLAY
V * = Σ i D i Y i c
(3550)
最优进展变量权重
在使用最优组分权重制表期间,使用通用优化算法最小化反应进展变量空间中的梯度。进展变量定义为 CO2、CO、H2O 和 H2 质量分数的线性组合。组分权重针对下述成本函数和约束进行了优化。对于混合分数、混合分数偏差和热损失率空间中的所有表点,成本函数定义为每个因变量的最大梯度之和(作为进展变量的函数):
20. EQUATION_DISPLAY
C=ΣtpΣkCtp,k
(3551)
其中, t p 表示混合分数、混合分数偏差和热损失率空间中的所有表点, k 表示因变量。因变量包括温度、进展变量源项和所有表格化组分。 C t p , k 为给定因变量和表点的成本,定义如下:
21. EQUATION_DISPLAY
C t p , k = max y , t p | d ϕ k , t p ( y ) d y | ϕ k max ϕ k min
(3552)
其中, ϕk 为因变量, y 为非标准化进展变量。 ϕkmax ϕkmin 是完整表中 ϕk 的最大值和最小值。此全局优化在进展变量空间中产生下导数,从而在 CFD 模拟中降低对进展变量误差的灵敏度。
FGM 积分
使用 c 统计上独立的假定形状 β PDF 和焓 γ (热损失率)的 δ 函数 PDF 对湍流波动建模。
积分后,FGM 表具有五个自变量:
  • 混合分数 Z m e a n
  • Heat Loss Ratio(热损失率) γ
  • 过程变量 c m e a n
  • 混合分数偏差 Z var
  • 过程变量变化 c var
对于每个点, Z m e a n γ c m e a n Z var c var ,平均数量 Q (根据密度加权平均值)取决于:
22. EQUATION_DISPLAY
Q ( Z m e a n , c m e a n , γ , Z var , c var ) = 0 1 0 1 1 1 Q ( Z , c , γ ) P ( Z , c , γ ) d Z d c d γ = 0 1 0 1 Q ( Z , c , γ ) P ( Z , c ) d Z d c = 0 1 0 1 Q ( Z , c , γ ) P c ( c | Z ) P Z ( Z ) d Z d c
(3553)
其中,δ 函数用于热损失率的 PDF。 P Z ( Z ) 是由 Z m e a n Z var (请参见 Beta 概率密度函数 (PDF) P c ( c | Z ) 是基于混合分数的 c 的 β PDF,由 c m e a n c var 进行参数化。