化學反應是自然界和工程實踐中最為重要的過程之一，是獲取能源、製備材料、治理污染的重要手段；流體流動是自然界中廣泛存在的現象，江河湖海、風雲雨露，流體流動隨處可見。在流體的流動中產生這些化學反應時，這些流動就成為化學反應流動。湍流是極為常見的流動狀態，而且具有更快的摻混速度，更強的輸運能力，因此，在化工設備中，使參加反應的流體保持湍流狀態，可以提高化學反應的效率。這種化學反應流就稱為湍流反應流。大量工程實際問題的解決與湍流反應流研究密切相關，如油、氣和煤燃燒的熱效率及污染物排放控制、氣體爆炸、化學反應容器的過壓保護、火災中的火蔓延和煙氣輸運等。湍流是目前最難解決的非線性問題之一。從本質上說，湍流中的化學反應涉及分子運動。而解決微觀分子物理複雜性問題，仍然有相當長的路要走。此外，對於湍流燃燒、複雜的化學動力學機理、燃燒與湍流強烈的耦合作用更加深了解決問題的難摩。
基本介紹
- 中文名：湍流反應流
- 外文名：Turbulent reacting flow
- 計算方法：數值模擬
- 實質：化學反應流
- 研究方法：大渦模擬
- 所屬領域：流體力學
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研究方法
隨著計算機技術和計算方法的飛速發展，數值模擬方法已成為研究各種湍流化學反應現象的重要工具之一。它能夠以較小的研究成本模擬實驗難以得到的物理過程，並提供實驗難以測量的物理量，同時它也面臨著幾個主要的尚需完善的問題：①湍流非定常特性的模擬；②化學反應與湍流的相互作用；③小尺度反應結構的空間一時間特性。
在現代的湍流模擬方法中，大渦模擬是一種先進的方法。目前反應流動大渦模擬的進展已經改變了以往人們對於其套用於湍流反應流模擬的質疑，大渦模擬的優越性逐步得到體現：①它能夠更加準確地計算湍流的混合過程，預測標量的混合過程和標量耗散率的結果都要好於另一種常用的湍流模擬方法——雷諾平均模擬。這是因為湍流的大尺度結構控制著全場的混合特性，它在大渦模擬中是可以準確求解的；②大渦模擬可以捕捉局部反應面的瞬態特徵，即在大渦模擬可辨識的空間尺度和時間尺度之上的化學反應過程的不穩定狀態。但是大渦模擬仍然不能克服化學反應的不封閉問題。映射封閉為該問題提供了一個解析的自洽方法。化學反應與湍流的相互作用以及小尺度反應結構的獨特的空間一時間特性是湍流反應流大渦模擬進一步發展的核心問題。
要分析湍流反應流，除了要了解湍流本身的傳輸特性以及動力學參數和湍流對火焰結構的影響外，還需測量經常伴隨的湍流旋渦流和湍流兩相流數據。至於內燃機、噴氣發動機和火箭發動機燃燒室內工作過程的實驗診斷則更為複雜。
長度尺度
超燃衝壓發動機流動中，除了局部的區域，都是高雷諾數的環境，慣性起主導作用，以致於黏性的影響沒有強到可以很快地抑制湍流的脈動，因此是顯著的湍流運動。湍流起源於相鄰流動區域間不同力學特性引起的不穩定性(Hinze，1959；Tennekes和Lumley，1972；Pope，2000)：Rayleigh—Taylor不穩定性來源於密度較大的流體經過密度較小的區域而加速，就像有浮力的流動一樣。它們之間由於存在壓力差而相互作用，產生渦量。Kelvin-Helmholtz不穩定性是由於速度差而引起的，比如來自分隔板的剪下流動，它們形成了擬序結構(Dimotakis，1986)。另外一些相互作用導致的流動不穩定性出現在化學反應流和湍流情況下，耦合了熱、噪聲和熱擴散的相互作用(Williams，1985)。局部化學反應的放熱導致體積膨脹，密度梯度通過與現有的壓力梯度相互作用產生額外的渦量(Oran和Boris，2001)。該渦量的尺度為化學反應尺度，有助於加強摻混。反過來，加強摻混有助於加快化學反應。這是一個強的複雜耦合現象，通過這種耦合，小的流動尺度上的能量有助於摻混，從而消除大尺度流動的不均勻性(Oran和Boris，2001)。
如果在分析中認為湍流脈動在整個流場中是均勻的，可以通過含能渦團的能譜e(k)和速度脈動的波數k，或者湍流渦長度尺度1/k來對湍流進行統計(Hinze，1959)。因為能譜是唯一與湍流尺度相關的，湍流各向同性的假設在很大程度上簡化了流動分析，使得計算複雜流動變得容易。包含湍流模型的計算模型依賴於現有的計算能力下能夠得到的精度。
計算方法
如果必須求解湍流流動中積分尺度Z和Kolmogorov尺度以之間的所有尺度，就必須完整地、時間精確地求解N-S方程，不需要任何特殊的模型來描述湍流。直接數值模擬(DNS)方法是最精確地描述流動現象的方法，但是需要巨大的計算量，在目前情況下不可能完成，甚至在可預見的未來，求解複雜流動比如超燃衝壓發動機中的流動也是不可能完成的。當需要求解流動中所有的尺度和有化學反應存在時，將使時間和長度尺度存在很大差別，這時即使求解1mln3的體積都需要數百萬個格線點(Poinsot和Veynante，2005)。綜上所述，DNS仍然是一種研究湍流的工具，在某些情況下，也可以驗證其他簡化方法的計算結果．對雷諾數的要求是在中等水平——100左右。
湍流反應流模擬的一個根本困難在於所關心的反應速率與溫度和濃度成強烈的非線性關係。另外，流動中的湍流造成組分和溫度混合的不均勻性，而且混合的速率與反應速率相比並不是快到可以忽略。正是由於標量(組分、溫度、焓)在時間和空間上的脈動，使得平均反應速率(正是我們所感興趣的)不可能用標量的平均值來表示。
目前有許多非反應的流動和混合的模擬方法，其中被工程界所關注的並且用於科學研究的方法是“矩封閉”。但是，二階矩封閉在化學反應流動系統中的套用並不成功。其主要原因是有反應速率的非線性項。它所導致的困難不僅出現在標量一階矩方程的平均反應速率項中，而且也出現在具有反應速率和標量脈動關聯的湍流標流量方程中。
Wang和Rutland(2005)給出了一個湍流反應流直接數值模擬的套用例子。計算區域2cm×2cm，不同於其他複雜的流動，單個正庚烷液滴被包圍在一個高溫的氧化環境中。所有的計算都只涉及氣相計算。計算區域包含一個中等程度的格線，192×192個格線點，反應方程包含33個組分和64步反應。假設湍流是各向同性的，初始的雷諾數為50。這種類型的工作對於研究反應流之間的相互作用和湍流能量從大尺度向小尺度的級串是很有用的。
