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CFD/DSMC耦合法在微尺度气体流动与燃烧中的应用

CFD/DSMC耦合法在微尺度气体流动与燃烧中的应用

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作者：索少一大连理工大学

学位级别：硕士

减少燃烧过程中的污染物排放、提高燃烧效率是当前燃烧领域研究的两大课题。在众多新型先进的燃烧技术中,多孔介质燃烧技术在近二十年的学术和工程领域引起了广泛的关注,成为可望解决上述两大问题的一个有效途径。国内外迄今为止对过滤... 详细信息

减少燃烧过程中的污染物排放、提高燃烧效率是当前燃烧领域研究的两大课题。在众多新型先进的燃烧技术中,多孔介质燃烧技术在近二十年的学术和工程领域引起了广泛的关注,成为可望解决上述两大问题的一个有效途径。国内外迄今为止对过滤燃烧的研究,尽管已经取得了长足的进展和可喜的成果,仍存在诸多问题和空白领域,特别对于基础性的科学问题,有待深入研究和探明。其研究方法,由宏观到微观可归纳为计算流体动力学(CFD)方法、直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法以及分子动力学(MD)方法等。已有研究资料表明,采用单一方法很难在计算资源有限的情况下,兼顾相对宏观的流场与局部的微观效应,因此本文就微尺度条件下的气体流动与燃烧等特性,在CFD方法和DSMC方法耦合的基础上进行数值研究,以期增强对多孔介质局部范围内流动、燃烧等现象的了解,对诸如医药、化工、生物、航空航天等其他领域的微机电系统(MEMS)器件的设计与研发亦有所启发。首先,本文应用CFD/DSMC耦合迭代的算法,结合平滑与粗糙两种壁面边界条件,对宽501μm,假定无限长的微型管道内的气体流动与传热进行模拟研究,发现：在本文所设定算例中,与采用单纯的CFD方法相比,采用耦合算法得到的速度场,因存在速度的滑移现象,在近壁面处呈现较大的差异,并影响到其核心流域的流场,并随着壁面“粗糙”程度增大,核心流域速度越小;管内温度分布在耦合前后没有太大差异,但核心流域温度随着壁面“粗糙”程度的增高而降低;在近壁面处,耦合所得结果存在着温度跳跃的现象。然后,在考虑化学反应的情况下,引入H2/O26组分7步可逆基元燃烧反应机理,同样地,采用CFD/DSMC耦合迭代的算法对长25μm,前10μm为渐缩管后151μm为直管的管道内的氢氧燃烧反应、流动与传热特性以及组分输运等进行模拟研究。其结果表明：在入口速度设定为50m/s的情况下,使用DS2V更新Fluent边界上的数据后,模拟所得结果与壁面滑移速度存在着很大的关联性。此时壁面滑移速度的影响超过壁面温度突跃的影响,在滑移速度大的区域,生成物的各组分含量较少,而在滑移速度小的区域,生成物各组分的含量则较多。另外,相对于耦合前,耦合后流场中心流域的速度有所增大,Y方向速度受到壁面边界条件的干扰,进入直管区域后速度普遍不为零。

关键词： CFD/DSMC耦合迭代流动与传热氢氧燃烧反应速度滑移温度突跃

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