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
的传输方程进行求解。
非标准化进展变量定义如下:
(3532)
其中,
为第
个组分权重,
为第
个组分的质量分数。
Favre 平均传输方程可以写为:
(3533)
注 | 为了清晰起见,Overbars(RANS 平均)和 overtildes(Favre 平均)被排除。 |
其中,
为非标准化进展变量源项,
为根据材料属性计算的扩散率:
(3534)
-
为层流扩散率。
-
为湍流粘度。
-
为非标准化过程变量的湍流施密特数。
则进展变量定义为:
(3535)
其中:
-
为混合物的非标准化进展变量 Eqn. (3532)。
-
为初始未燃烧状态下的非标准化进展变量。
-
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:
(3536)
其中,
= 模型常数
= 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:
(3537)
其中
(3538)
= 过程变量变化的湍流施密特数
= 耗散常数
- 进展变量源
-
- FGM 制表
- 独立变量是:
-
- 混合分数
- Heat Loss Ratio(热损失率)
- 过程变量
- 0D 点火反应器类型控制方程
- 在制表过程期间,将对每个
和
求解以下方程。
(3539)
- 物理时间
时的每个点将转换为 Eqn. (3535) 中对应的进展变量
。
- 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:
(3541)
(3542)
- 其中,
为伪时间,
为温度,
为
组分的质量分数,
为热容,
为密度。
和
分别为组分
的焓和反应率。
是根据 Eqn. (3532) 和 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
和
处计算)定义如下:
(3543)
- 其中,
为补余误差函数的倒数, 为
方向上的标量耗散函数,如下所示:
(3544)
- 其中,
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]:
-
(3545)
(3546)
(3547)
- 层流火焰速度由以下方程计算的解确定:
(3548)
- 其中,
为物理空间中的进展梯度,
为扩散系数组分
,
为导热率,
为未燃烧气体密度。
-
为进展变量的扩散通量:
(3549)
-
表示用于计算进展变量的组分权重,
为组分扩散的修正项:
(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):
(3551)
- 其中,
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,
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。
为给定因变量和表点的成本,定义如下:
(3552)
- 其中,
为因变量,
为非标准化进展变量。
和
是完整表中
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
统计上独立的假定形状 β PDF 和焓
(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
- Heat Loss Ratio(热损失率)
- 过程变量
- 混合分数偏差
- 过程变量变化
- 对于每个点,
、
、
、
和
,平均数量
(根据密度加权平均值)取决于:
(3553)
- 其中,δ 函数用于热损失率的 PDF。
是由
和
(请参见 Beta 概率密度函数 (PDF)。
是基于混合分数的
的 β PDF,由
和
进行参数化。