FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟.pptx

,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,title style,燃烧,热科学与能源工程系,2003,年10月,计算流体与传热传质,Temperature in a gas furnace,FLUENT,中,组分输运及化学反应（,燃烧）模拟,热科学与能源工程系,年10月,1/32,概要,应用,燃烧模拟介绍,化学动力学,气相燃烧模型,稀疏相燃烧模型,污染物排放模拟,燃烧数值模拟步骤介绍,2/32,燃烧模拟,广泛应用与均相和非均相燃烧过程模拟,燃烧炉,锅炉,加热器,燃气轮机,火箭发动机,求解内容,流场流动特征及其混合特征,温度场,组分浓度场,颗粒和污染物排放,Temperature in a gas furnace,CO,2,mass fraction,Stream function,3/32,燃烧模型概要,稀疏相模型,液滴,/,颗粒动力学,非均相反应,液化,蒸发,输运控制方程,质量,动量(湍流),能量,化学组分,燃烧模型,预混,局部预混,非预混燃烧,污染物模型,辐射换热模型,4/32,气相燃烧,有限速率模型(,Magnussen model),守恒标量,PDF,模型,(,一个或两个混合分数),层流火焰面（小火焰）模型(,V5,),Zimont model(,V5,),稀疏相模型,湍流颗粒弥散,随机轨道模型（,Stochastic tracking）,颗粒云团模型（,Particle cloud model）(,V5,),粉煤与喷油燃烧子模型,辐射模型:,DTRM,P-1,Rosseland,和,Discrete Ordinates(,V5,),湍流模型:,k-,RNG,k-,RSM,Realizable,k-,(,V5,)and LES(,V5,),污染物排放模型:,NO,x,with reburn chemistry(,V5,)and soot,FLUENT,提供燃烧模型,5/32,模拟燃烧过程化学反应动力学,难点与挑战,多数实际燃烧过程是湍流,化学反应速率高度非线性;湍流化学反应高度耦合，相互作用很主要。,真实化学反应机理包含数十个组分,数百个基元反应，而且方程组极具刚性,(,基元化学反应时间尺度相差大),实际处理方法,简化化学反应机理,有限速率燃烧模型,考虑湍流及其混合、弱化反应化学,混合分数模型,平衡化学,PDF,模型,层流火焰面模型,进展变量模型,Zimont,模型,6/32,有限速率模型,用总包机理反应描述化学反应过程.,求解化学组分输运方程.,求解当地时间平均各个组分质量分数,m,j,.,组分,j,源项(产生或消耗）是机理中全部,k,个反应净反应速率,:,R,jk,(,第,k,个化学反应生成或消耗,j,组分)是依据,Arrhenius,速率公式、混合或涡旋破碎（,EBU）,速率小值。,.,混合速率与涡旋寿命相关,k/,.,物理意义是湍流涡旋是决定化学反应首要原因。对于非预混燃烧，湍流涡旋决定了组分混合；对于预混燃烧湍流决定了热输运（高温加热低温）。即：化学反应决定于湍流混合组分（非预混燃烧）和热量（预混燃烧）速率。,7/32,Fluent,燃烧模型,有限速率模型,求解组分质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定义。,非预混燃烧模型,该模型中并不求解单个组分输运方程，而是求解一个或者两个守恒标量（混合分数）输运方程,预混燃烧模型,模拟完全混合燃烧问题。充分混合燃烧物和产物被火焰前锋分隔，求解出化学反应进展变量来描述该火焰前峰位置,部分预混燃烧模型,该模型用来处理系统中同时含有非预混和充分预混情况。该方法同时求解了混合分数和反应进展变量,8/32,有限化学反应速率模型设置,要求:,给出组分及其物性,给出化学反应及其反应速率在内化学反应动力学数据,FLUENT V5,在,mixture material database,里面提供了数据,对于惯用燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息,.,假如用户需要给定个性化机理，则:,生成新混合物.,改变已经有混合物物性/化学反应,.,9/32,有限速率模型小节,优点:,能够应用于,nonpremixed,partially premixed,和,premixed combustion,简单、直观,应用广泛,缺点:,不适合混合速率与化学反应动力课时间尺度相当初候化学反应,(,要求,Da 1).,没有严格考虑湍流化学反应之间相互作用问题,不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响,.,模型常数不确定,尤其是用于计算多个化学反应时候尤为如此，模型常数通用性较差。.,10/32,守恒标量(混合物分数)模型,:PDF,模型,只,适应用于非预混,(,扩散)火焰燃烧,假定化学反应过程受,混合速率,控制,满足局部化学平衡.,控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处混合程度,.,化学反应机理不明确.,用化学平衡计算来处理化学反应,(,prePDF,).,只求解混合物分数及其方差输运方程,无需求解组分输运方程,.,能够严格考虑湍流与化学反应相互作用,11/32,混合分数定义,混合分数,f,写成元素质量分数形式:,其中，,Z,k,是元素,k,质量分数；下标,F,和,O,表示燃料和氧化剂进口流处值。,对于简单,fuel/oxidizer,系统,混合物分数代表计算控制体里燃料质量分数,.,混合物分数是守恒标量（,conserved scalar）:,组分输运方程中没有化学反应源项,.,12/32,能够用单个混合物分数模拟燃烧系统,Fuel/air,扩散火焰:,多氧化剂入口扩散火焰,:,多燃料进口扩散火焰:,60%,CH,4,40%CO,21%,O,2,79%N,2,f=1,f=0,35%,O,2,65%N,2,60%,CH,4,40%CO,35%,O,2,65%N,2,f=1,f=0,f=0,60%,CH,4,20%CO 10%C,3,H,8,10%CO,2,21%,O,2,79%N,2,f=1,f=0,f=1,60%,CH,4,20%CO 10%C,3,H,8,10%CO,2,13/32,系统化学平衡假设,化学反应很快抵达平衡.,能够考虑中间组分.,14/32,PDF,模拟,Turbulence-Chemistry,相互作用,Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function(PDF).,p,(,V,),the PDF,represents fraction of sampling time when variable,V,takes a value between,V,and,V,+,V,.,p,(,f,)can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction,f,:,Species mole fractions,Temperature,density,15/32,PDF Model Flexibility,非绝热系统:,In real problems,with heat loss or gain,local thermo-chemical state must be related to mixture fraction,f,and enthalpy,h,.,Average quantities now evaluated as a function of mixture fraction,enthalpy(normalized heat loss/gain),and the PDF,p,(,f,).,第二守恒标量:,FLUENT,用第二守恒标量能够模拟,:,Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream(visa versa),Nonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizer,Co-firing a gaseous fuel with another gaseous,liquid,or coal fuel,Firing single coal with two off-gases(volatiles and char burnout products)tracked separately,16/32,混合分数/,PDF,模型小节,优点:,能够计算中间组分.,考虑分裂影响.,考虑湍流化学反应之间作用.,无需求解组分输运方程（尤其是多组分），简化计算量,性能好，经济,缺点:,系统必须满足（靠近）局部平衡.,不能用于可压速或非湍流流动.,不能用于预混燃烧.,17/32,层流火焰面模型,用混合分数和标量耗散率来求解（绝热）温度、密度和组分等量。,对于混合分数,PDF,模型,(,绝热),热化学状态只是,f,函数,c,与当地应变率相关,把混合分数,PDF,扩展到模拟中度化学非平衡燃烧模拟中,用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰,对撞扩散火焰,18/32,层流火焰面模型,(2),用指定概率密度函数（,PDF）,P(f,c,),方法来决定层流火焰面系综。假定概率包含计算为：,P,f,(f)P,c,(,c,),其中，,P,f,(f),用,Beta,函数，,P,c,(,c,),用,delta,函数,只适合绝热系统（,FLUENT,V5）,Import strained flame calculations,prePDF or Sandias OPPDIF code,Single or multiple flamelets,Single:user specified strain,a,Multiple:strained flamelet library,0 a a,extinction,a=0,equilibrium,a=a,extinction,is the maximum strain rate before flame extinguishes,Possible to model local extinction pockets(e.g.lifted flames),19/32,预混燃烧,Zimont,模型,用单个过程变量来模拟热化学过程,平均反应速率,湍流火焰传输速度,U,t,依据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑,预混燃料当量比,湍流引发火焰前锋皱折和增厚,湍流拉伸引发火焰前锋淬熄,分子扩散,适合绝热燃烧,非绝热燃烧必须求解焓方程,20/32,稀疏相模型,在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、气泡轨道,.,并与连续相（气相）进行热、质量和动量耦合求解。,稀疏相体积分数必须 10%,质量分数能够比较高,不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎,模拟湍流弥撒,随机轨道（,Stochastic tracking）,颗粒云团模型（,Particle cloud(,V5)）,Rosin-Rammler or linear size distribution,非定常流动中颗粒轨道(,V5,),模拟颗粒分离,喷雾烘干,液体燃料或煤粉燃烧过程。.,计算连续相流动场,计算颗粒轨道,更新连续相源项,21/32,Monte-Carlo,方法模拟湍流颗粒弥散,(discrete random walks),颗粒运动计算中考虑气体平均速度及随机湍流脉动速度影响。,每个轨道包含了一群含有相同特征颗粒，如相同初始直径，密度等.,考虑湍流弥散尤为主要,更复合真实物理过程，但计算量更大。,能够经过光滑源项、消除与气相耦合来强化计算稳定性；,颗粒弥散:随机轨道模型,Coal particle tracks in an industrial boiler,22/32,颗粒弥散:颗粒云团模型,用平均速度决定颗粒平均轨道,假定该平均轨道为 3,D,多变量,Gaussian,分布，计算颗粒偏离范围（3倍标准偏差）,Rigorously accounts for inertial and drift velocities,A particle cloud is required for each particle type(e.g.initial,d,r,etc.),Particles can escape,reflect or trap(release volatiles)at walls,Eliminates(single cloud)or reduces(few clouds)stochastic tracking,Decreased computational expense,Increased stability since distributed source terms in gas phase,BUT decreased accuracy since,Gas phase properties(e.g.temperature)are averaged within cloud,Poor prediction of large recirculation zones,23/32,非定常流动颗粒轨道模拟,Each particle advanced in time along with the flow,For coupled flows using implicit time stepping,sub-iterations for the particle tracking are performed within each time step,For non-coupled flows or coupled flows with explicit time stepping,particles are advanced at the end of each time step,24/32,煤/油燃烧模型,改变模型能够模拟煤或油燃烧,l,Droplet,油燃烧模拟,Combusting particle,煤燃烧模拟,Several devolatilization and char burnout models provided.,Note,:These models control the rate of evolution of the fuel off-gas from coal/oil particles.Reactions in the gas(continuous)phase are modeled with the PDF or finite rate combustion model.,25/32,NO,x,Models,NO,x,中含量最多是一氧化氮(,NO).,引发烟雾,引发酸雨,造成臭氧损耗,NO,x,排放有三个机理,:,热机理（,Thermal No,x,）-Zeldovich mechanism(,氧化空气中,N),高温燃烧最显著,快速机理（,Prompt NO,x,）-De Soete,Williams,提出经验机理,.,通常该机理对,Nox,排放量影响较小,富燃燃烧区域该机理有显著作用,燃料,NO,x,机理-,De Soete,Williams,等人提出经验机理.,在煤燃烧中，燃料中含,N,高，而且燃烧温度不是很高时起作用。,NO,x,再燃(,V5,),在燃料富足燃烧区域，,NO,会与碳氢化合物反应，使得,NO,降低,26/32,烟（,Soot）,模型,两种烟模型:,One-step,模型(,Khan and Greeves),1,个输运方程，烟质量分数,Two-Step,模型(,Tesner),Transport equations for radical nuclei and soot mass fraction concentrations,Soot,生成采取经验公式,其中,C,p,f,和,F,是模型常数,燃料分压力和当量比。,采取,Magnussen,模型计算,Soot,燃烧(消耗),Soot,对辐射影响,激活,Soot,面板上,Soot-Radiation,选项,27/32,燃烧模拟步骤及求解策略,打开求解器（2,D,或3,D）,检验物理模型适用性,网格分辨率需求(,resolve shear layers),求解参数、收敛条件设置,边界条件,燃烧经常对进口边界条件十分敏感,正确进口标量和速度分布,极难预计壁面热条件；尽可能优先给定边界温度，极难给定对流换热或者辐射换热量,初始条件,稳态解跟初始值无关，但给初始值不好，因为各个方程之间不友好和输运方程非线性，造成解分歧或发散不收敛。先求解冷态流动、接着气体燃烧、颗粒燃烧、再考虑辐射；,对于强旋流动，渐渐增加旋流速度；,28/32,燃烧模拟步骤及求解策略（2）,低松弛因子,松弛因子改变对结果影响是高度非线性,采取混合分数,PDF,模型时，密度采取低松弛,(0.5),考虑浮力流动中，速度采取低松弛因子,高速流动中压力采取低松弛因子,一旦解较为稳定,尽可能让松弛因子提升到系统默认值(温度，0.9,；,P,是1；旋流速度，组分（混合分数）也是1或靠近1。,离散化,开始用一阶精度,收敛后用二阶精度提升求解精度,对于三角形或四面体网格，二级精度离散尤为关键,离散相模拟,增加稳定性,增加随机轨道数目(或者采取颗粒云团模型),低松弛因子，增加每次耦累计算中颗粒相计算后气相叠代次数,29/32,燃烧模拟步骤及求解策略,(3),Magnussen,模型,默认设置,finite rate/eddy-dissipation(Arrhenius/Magnussen),对于非预混(扩散)火焰，关掉有限速率模型,对于预混火焰，应该采取,Arrhenius,项，使得反应物不至于过早燃烧。,需要高温点火，确保反应进行（,initialization/patch）,考虑比热,C,p,随温度改变，方便计算温度不至于过高而不切合实际。,混合分数,PDF,模型,假如符合该模型假设，能够选取该模型,建表中要确保有足够多点方便确保插值精度，同时要不影响计算时间。,采取,beta,函数,PDF,30/32,燃烧模拟步骤及求解策略,(4),湍流,开始用 标准,k-,e,模型,收敛后转变为,RNG,k-,e,Realizable,k-,e,或,RSM，,能够与试验结果比较、也能够比较结果受湍流模型影响情况,收敛判断,普通变量残差小于 10,-3,，温度、,P-1,和组分残差要小于,10,-6,The mass and energy flux reports must balance,监视和检验所关心变量(如：出口平均温度,),检验变量等值线图是否光滑、合理及稳定不变。,31/32,小节,FLUENT V5,用于模拟燃烧优点在于：,一组很好燃烧模型,方便、易用,数据库包含了机理与物性参数,网格与求解方案能够自由调整,FLUENT,能够求解多数工程实际燃烧问题,.,留心选择物理模型是否适当于实际需要模拟燃烧过程,.,32/32,