能量方程推導及匯總

2021-01-17 模擬在線


以總能E表示的能量方程為:

(1)

式中,為外熱源,包括輻射熱源、電熱源、雷射熱源等,但不包括化學反應熱源。化學反應熱源在E中體現。

    在可壓縮和高速流動模擬中一般採用此式。


總焓H和總能E之間有:,將該式代入式(1)可得總焓方程:


(2)



靜焓h和總焓H之間有:,由於涉及動能項,因此欲得到靜焓方程,就需先得到動能方程。

動能方程的推導需藉助動量方程:


(3)

式(3)等號兩側乘以便得動能方程:


(4)

由式(2)減式(4)可得靜焓方程:


(5)

由於可感知焓和靜焓h之間有:式中是組分k的標準生成焓,即化學焓,將其代入式(5)可得:


(6)

藉助熱流的表達式:


(7)

式中,是組分的靜焓,且有,其中的是組分k的可感知焓,再利用組分方程:


(8)

可簡化式(6)中的下劃線項:


將其代入式(6)便得可感知焓方程:


(9)


式(9)中等號左側的兩項可做如下處理:


(10)

式(10)中單下劃線項與式(9)中等號右側最後兩項結合,並利用式(8)化簡,可得:


(11)

式(10)中雙下劃線項可簡化為:


(12)

在式(11)和(12)的推導中,用到了如下兩式:


式中的y就是溫度,只是因為積分上限T為變量,所以改用y表示。由於是溫度T的多項式函數,所以必然存在原函數,從而有:
將式(11)、(12)代入式(9)(請注意,式(11)已經結合了式(9)等號右側的最後兩項),便得溫度方程:


(13)


以上各種形式的能量方程在推導過程中均沒有引入假設,因此適用於任意情況。

低速時一般採用以溫度表示的能量方程,且可引入一定假設對式(13)進行簡化。

在低馬赫數假設(Low Mach Number Assumption)下,忽略壓強對溫度的影響,此外鑑於速度低,粘性應力做功項也可忽略,由此可得低速溫度方程:


(14)


總能方程(無假設):



總焓方程(無假設):



靜焓方程(無假設):



可感知焓方程(無假設):



溫度方程(無假設):



低速溫度方程(低馬赫數假設):


如果不考慮組分輸運和化學反應,只需將上述方程中的組分項(
)去除,便可。


原文由從事多年燃燒求解器研究的單博士提供。在此非常感謝他的辛苦付出。

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