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锅炉炉内空气流场的数值模拟模型
发布时间：2012-10-28 15:58 来源：未知
锅炉炉内的气流流动是非常复杂的三维湍流流动，近几十年的时间里国内外的学者、专家对湍流进行了深入的研究，但由于湍流过程十分复杂，目前对湍流问题的研究仍处于探索其结构、机理和描述方法的阶段。
锅炉炉内流场的数值模拟主要分为气相湍流流动数值模拟和气固两相流动数值模拟。
（1）气相流动的数值模拟
目前气相湍流模拟主要有直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、离散涡模拟
(DVS)和雷诺时均方程出发的统观模拟四种模型。
直接数值模拟(DNS)：是在湍流尺度网格内不引入任何封闭模型前提下对Navier-Stokes (N-S)方程直接求解，这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解，要求大量的网格点和时间步长以达到统计的稳定状态，因此，DNS仅用于雷诺数相对较低的湍流流动模拟。
大涡模拟(LES)：基于网格尺度封闭模型及对大尺度涡进行直接求解N-S方程的大涡模拟方法可以模拟湍流发展过程中的一些细节，但由于其计算量仍很大，也仅仅用于比较简单的剪切流动和管流。
离散涡模拟(DVS)：DVS目前用来模拟湍流中大尺度粘附结构，可最直接运用于粘性效应可忽略的高雷诺数情况，能获得混合层和尾涡中大尺度涡旋机理的本质，目前也得到了一定程度的运用。
雷诺时均方程出发的统观模拟：以上三种方法由于计算技术和自身的发展不够成熟等因素的限制，运用到具有实际意义的工程中仍有相当困难。现在及未来一段时间内可用于工程上的模拟方法仍然是由雷诺时均方程出发的统观模拟方法。这类模型是将雷诺时均方程及湍流特征量输运方程中的高阶未知关联项用时均量来表达，从而使雷诺时均方程封闭，目前运用最广的是k-E双方程模型。
（2）气固两相流动数值模拟
气相流场中加入颗粒相，描写两相流动的运动参量与单相流动相比几乎增加一倍，另外各相的体积浓度、分散相颗粒的大小、各相的物理性质和流动形态都有很大的变化，气固两相流模拟中颗粒相的模拟成为关键。目前两相流的数值模拟主要有两种方法：一种是把流体当作连续介质而把颗粒相作为离散体系，在拉格朗日坐标系下描述颗粒运动的轨道模型；另一种则是把流体作为连续介质，把颗粒相作为拟流体介质在欧拉坐标系下描述颗粒群运动的双流体模型。气固两相模型又可具体分为：无滑移模型、轨道模型和双流体模型。
无滑移模型：这种模型不考虑相间的温度和速度滑移，直接把单相流体的概念推广到悬浮流中，把整个悬浮流看成一种单一流体，不需要颗粒的动量和能量方程，只需解颗粒群的质量方程，这种模拟方法的最大优点是简单，但离实际情况相差较大，因而不适宜工程运用。
轨道模型：考虑了颗粒相与流体相的相互作用，易于描述单颗粒的复杂经历，又可分为：确定轨道模型和随机轨道模型。确定轨道模型不考虑颗粒的湍流扩散，通过引入随机轨道或漂移速度修正轨道位置来反映颗粒扩散；随机轨道法直接在拉格朗日坐标系下求解瞬态颗粒运动方程，考虑流体脉动对颗粒的作用，计算颗粒的随机轨道和其变化经历，一般认为流体湍流局部各向同性、脉动速度符合当地的高斯分布。
双流体模型把颗粒相看成与流体相占据同一空间而且相互渗透的拟流体，空间各点流体与颗粒都有各自不同的速度、温度、体积分数和相对滑移。颗粒群有自身的质量、动量和能量的湍流输运，颗粒相可按初始和当地尺寸分组，颗粒相的模拟是双流体模型发展的核心。
