(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111275513.X (22)申请日 2021.10.2 9 (71)申请人 大连海事大学 地址 116026 辽宁省大连市高新园区凌海 路1号 (72)发明人 杨国刚　盛中华　李世安　沈秋婉　 孙涵　 (74)专利代理 机构 大连东方专利代理有限责任 公司 21212 代理人 徐华燊　李洪福 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种氢气湍流爆燃 仿真动态建模的方法 (57)摘要 本发明提供一种氢气湍流爆燃仿真动态建 模的方法， 步骤为： S1、 将模型简化后， 进行几何 建模与网格划分； S2、 数学建模： 通过亚格子火焰 褶皱因子模型对火焰表面密度模型进行动态建 模， 利用火焰表面密度模型获得反应进程变量模 型， 结合建立的物性方程组， 搭建完整的反应流 的NS方程组； S3、 设置初始条件及边界条件； S4、 进行数值求解和结果处理。 本发 明可为氢气预混 爆燃动力学的计算和评估提供种精确的动态建 模方法。 使层流火焰速度的计算更加方便， 混合 物的物性计算更加合理， 且克服了网格对模型的 影响， 动态模 型可以更好的处理多尺度效应和湍 流火焰的失衡情况。 有助于氢气爆燃火焰仿真的 建模， 为安全规划 和防爆提供关键指导。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 114021404 A 2022.02.08 CN 114021404 A 1.一种氢气湍流爆燃 仿真动态建模的方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 将模型简化后， 在软件中进行几何建模与网格划分； S2、 进行数学建模： 建立亚格子火焰褶皱因子模型， 通过亚格子火焰褶皱因子模型对火 焰表面密度模型进行动态建模， 利用火焰表面密度模型获得反应进程变量模型， 结合建立 的物性方程组， 搭建完 善的反应流的NS方程组， 进行 氢气的爆燃动力学 行为的数值计算； S3、 设置初始条件及边界条件； S4、 进行数值求解和结果处 理。 2.根据权利要求1所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 所述步骤S2 中， 所述反应进程变量模型满足如下公式： 式中， c为反应进程变量； ρ 为流体密度； xj为j方向上的坐标分量； uj为j方向上的速度分 量； μeff为有效粘性； Sceff为有效Sc hmidt数； Sc为进程变量模型的源项； 所述进程变量模型的源项由火焰表面密度模型封闭， 满足如下公式： Sc＝<ρ ω>SΣ＝ρuSlΣ； 式中， ρu为未然混合气体密度； Sl为层流预混火焰传播速度； <ρ ω>S为单位火焰表面积 的平均反应速率； Σ 为火焰表面密度。 3.根据权利要求2所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 所述层流预 混火焰传播速度Sl与温度T和压力P之间满足如下公式： 可简化为Sl＝Sl(Φ)， 适用于氢气 爆燃数值计算的各种情况； 式中， Sl0为标况下的层流火焰 传播速度， m0为温度指数， n0为压力指数。 4.根据权利要求2所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 所述火焰表 面密度Σ 通过亚格子火焰 褶皱因子 ΞΔ获得， 满足如下公式： 式中， 为进程变量梯度的绝对值。 5.根据权利要求4所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 所述亚格子 火焰褶皱因子模型是利用外截止尺度与内截止尺度之比对起皱因子进 行建模获得的， 满足 如下公式： ΞΔ＝{1+Δ/ ηc}D‑2； 式中， D为火焰表面的分形维数， D＝β +2； β 为流场的函数， 随湍流强度而变化； Δ为外截 止尺度； ηc为内截止尺度。 6.根据权利要求5所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 假设每个相 关的湍流运动独立地作用于火焰前峰， 并在均匀且各向同性的湍流谱中根据DNS估算的作 用进行积分， 得 出Charlette幂率模型， 即 分形模型， 满足如下公式：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114021404 A 2ΓΔ为描述所有 小于Δ的湍流尺度的净应 变效应的效率 函数， 满足如下公式： 其中， 式中， 为子网格子网格速度波动， Sij为应变率张量； Lsgs＝CsΔ为大涡长 尺度， Cs≈0.1为Smagorinsky常数， Δ＝V1/3为当地网格尺度； ReΔ＝(u′ΔΔ)/ν为亚格子 Reynold数， ν为运动粘度； δl为层流预混火焰厚度， 可由Rel＝δlSl/ν＝4计算； 在Charlette 模型中亚格子Reynold数还可表示为ReΔ＝4(Δ/δl)(u′Δ/Sl)； Ck＝1.5为Kolmogorov常数， 指数a和指数b控制渐近行为之间过渡的锐度。 7.根据权利要求6所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 所述指数a 和指数b满足如下公式： 8.根据权利要求6所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 通过判断函 数对截止尺度进行建模， 当Δ/δl≤1时ΞΔ＝1， 认为此时网格分辨率可以捕获火焰前沿， 当 Δ/ δl＞1时， 可通过分形模型使褶皱因子最大化， 为 9.根据权利要求8所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 通过分形维 数D对β 函数进行建模， 直观的反映出湍流与火焰的相互作用； 建模后的动态褶皱模型满足 如下公式： 选择子网格雷诺数ReΔ＝π5/3作为模型的截止值， 即层流火焰向湍流火焰过渡的临界 值； 在层流火焰区β ＝0、 ΞΔ＝1， 网格分辨率足以捕捉到流体的动力学行为， 此时为层流预混 燃烧状态； 在湍流火焰区β 函数与湍流 强度成正相关， 当ReΔ→∞时β→1， 此时为湍流预混燃 烧状态； 从层 流区到湍流区， β 函数的演变范围为0≤β ≤1； 褶皱因子ΞΔ与Δ/δl正相关， 褶皱 因子的演变范围为1≤ ΞΔ≤(Δ/ δl)β。 10.根据权利要求1所述的氢气湍流爆燃仿真动态建模的方法， 其特征在于， 所述物性权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114021404 A 3