第六章,FLUENT中的燃烧模拟.doc

第六章，FLUENT中的燃烧模拟6.1 燃烧模拟的重要性l 面向实际装置（如锅炉、内燃机、火箭发动机、火灾等）l 面向实际现象（如点火、熄火、燃烧污染物生成等）6.2 FLUENT燃烧模拟方法概要l FLUENT可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流）问题。然而，需要注意的是：你必须保证你所使用的物理模型要适合你所研究的问题。FLUENT在燃烧模拟中的应用可如下图所示：U气相燃烧模型U离散相模型预混燃烧部分预混燃烧 扩散燃烧U输运方程连续性动量（湍流）能量化学组分U热辐射和传热模型U污染物模型l 气相燃烧模型一般的有限速率形式（Magnussen 模型）守恒标量的PDF模型（单或二组分混合物分数）层流火焰面模型（Laminar flamelet model）Zimont 模型l 离散相模型煤燃烧与喷雾燃烧l 热辐射模型DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates模型l 污染物模型NOx 模型，烟（Soot）模型6.3 气相燃烧模型6.3.1 燃烧的化学动力学模拟实际中的燃烧过程是湍流和化学反应相互作用的结果，燃烧的化学反应速率是强非线性和强刚性的。通常的化学反应机理包含了几十种组分和几百个基元反应，而且这些组分之间的反应时间尺度相差很大（10P9P10P2P秒），因此在实际问题的求解过程中计算量和存储量极大，目前应用尚不现实。在FLUENT中，针对不同的燃烧现象，采用了不同的化学动力学处理手段，以减少计算成本，如下：l 有限速率燃烧模型预混、部分预混和扩散燃烧l 混合物分数方法（平衡化学的PDF模型和非平衡化学的层流火焰面模型）扩散燃烧l 反应进度方法（Zimont模型）预混燃烧l 混合物分数和反应进度方法的结合部分预混燃烧6.3.2一般的有限速率模型l 化学反应过程一般采用总包机理（即简化化学反应，如单步反应）进行描述l 求解组分的输运方程，得到每种组分的时均质量分数值，如下： 61其中组分j的反应源项为所有K个反应中，组分j的净生成速率： 62式中，反应k中的组分j的反应速率可按照Arrhenius 公式、混合（mixing）速率或 “eddy breakup” 速率的方法求解。在混合（mixing）速率方法中，混合速率和涡的时间尺度, k /e.有关，其物理意义为化学反应受限于湍流导致的组分和热量的混合速率。JBiB表达如下： 63l 计算所需参数包括：（i）组分及其热力学参数值；（ii）反应及其速率常数值。其中，FLUENT提供了一个混合物组分的数据库可供查找选用，另外也提供了一个化学反应机理以及组分热力学性质的数据库可供查找选用。l 有限速率模型的优缺点：优点：适用于预混、部分预混和扩散燃烧；简单直观缺点：当混合时间尺度和反应时间尺度相当时（即Da1）缺乏真实性；难以解决化学 反应与湍流的耦合问题；难以预测反应的中间组分；模型常数具有不确定性6.3.3 守恒标量的PDF模型l 守恒标量的PDF模型仅适用于扩散（非预混）燃烧问题，该方法假定了反应是受混合速率所控制，即反应已达到化学平衡状态，每个单元内的组分及其性质由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制。其中涉及的化学反应体系由化学平衡计算来处理（利用FLUENT的组件程序PrePDF）。l 该方法通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得组分和温度场，而不是直接求解组分和能量的输运方程。其中l 混合物分数的定义：其中Zk 代表元素k 的元素质量分数，下标F和O 分别代表燃料和氧化剂的进口值。 对于简单的燃料/氧化剂体系，每一计算单元内的混合物分数代表了该单元内的燃料质量分数。由于混合物分数是守恒标量，因此在求解输运方程时不再考虑反应源项。l 在该方法中，化学反应认为足够快，体系中的组分立刻达到平衡状态。化学平衡组分在混合物空间的分布可示意如下：l 化学反应和湍流之间的相互作用采用几率密度函数（PDF）的方法进行处理：上图代表了几率密度函数p（V）的定义，因此在混合物分数空间，f，标量的时均值可由下式计算：其中时均标量可以是组分浓度、密度或温度。l 守恒标量PDF模型的优缺点：优点：可以预测中间组分的浓度，可以考虑流动中的耗散现象，可以考虑化学反应与湍流之间的相互作用。该方法不需求解大量的组分和能量的输运方程，因而可以缩短计算时间。缺点：研究的流动体系必须接近于局部化学平衡状态，且不能用于非湍流流动，同时亦不能处理预混燃烧问题。6.3.4 层流火焰面模型l 层流火焰面模型的基本思想是把湍流扩散火焰看作是层流对撞扩散火焰面的系综。该方法可以看作是守恒标量PDF模型的一个扩展，它可用于处理非化学平衡状态的体系，即可以利用化学反应动力学的方法处理反应流。（6-4）l 不同于守恒标量PDF模型，标量是混合物分数和标量耗散率的函数，而非混合物分数的函数：（6-5）指定混合物分数f的PDF符合函数分布，标量耗散率的PDF符合狄拉克函数分布，因此，时均标量值可以通过在f和空间求标量的统计平均来得到（即，考虑化学反应与湍流的相互作用）：l 层流火焰面模型的计算过程如下：（1）计算不同标量耗散率下，标量在混合物分数f空间的分布，即求解火焰面方程，组分方程为：能量方程为：从而得到标量随混合物分数和标量耗散率的变化关系，即式（6-4），并以火焰面数据库文件的形式保存结果。（2）火焰面数据库文件也可由其它软件（如CHEMKIN的OPPDIF生成），若得到的库文件为单标量耗散率，则需计算不同标量耗散率的库文件，最后将它们合并。（3）利用式（6-5）计算火焰面的PDF库，从而得到时均标量随平均混合物分数和平均混合物方差的变化关系。（4）利用3.3节的求解平均混合物分数及其平均方差的输运方程的方法，在流场中计算这两个量，然后再利用得到的PDF库查找时均标量值。6.3.5 预混燃烧的Zimont 模型l 湍流预混燃烧的化学反应采用反应进度（progress variable），c，进行表征，如下：其中YBpB、YBpPBadP分别代表当前和完全绝热燃烧后燃烧产物的质量分数，其取值范围在0到1之间，0代表未然混合物，1代表已燃混合物。l 若用反应进度c代表其平均值，则其输运方程可表达如下：上式中平均反应速率项如下求解：BuB代表未燃物密度，UBtB代表湍流火焰传播速度。l 湍流预混燃烧的关键在于求解湍流火焰传播速度（位于湍流火焰表面的法线方向），该速度受两方面因素的影响：一是层流火焰传播速度，即决定于燃料和氧化剂的浓度、初始温度，组分的扩散特性以及化学反应动力学特性；二是有大涡决定的火焰皱褶和拉伸以及由小涡决定的火焰表面厚度。根据上述讨论，FLUENT中的湍流火焰传播速度可表达为：式中，A模型常数，u速度均方值，UBlB层流火焰传播速度，未燃物的分子导热系数，湍流长度尺度，湍流时间尺度，化学反应时间尺度。为考虑火焰拉伸所导致的吹熄（熄火）现象，在反应速率源项中可乘以一个拉伸因子，G，它代表了拉伸所导致火焰不熄火的概率：式中：以上各式中出现的一些常数值在FLUENT默认条件下为：A=0.52，CBDB=0.37，BstrB=0.26，B=0.5l 湍流预混火焰温度的计算：对绝热火焰，有：TBuB代表未燃混合物的温度，TBadB代表绝热条件下燃烧产物的温度。对非绝热火焰，解如下的能量方程：l 湍流预混火焰组分密度和浓度的计算：FLUENT利用理想气体状态方程求解密度，对绝热火焰，假定压力变化可以忽略，混合物平均分子量为常数，有其中下标b代表已燃物，下标u代表未燃物，求解量为BbB，已知量为TBbB，BuB，TBuB。对非绝热火焰，有求解量为，已知量为T（由上面的能量方程计算），BuB，TBuB。对于组分浓度，则按下式计算：Y=YBuB(1-c)6.3.6 部分预混燃烧模型l 部分预混燃烧系统是指这样一种预混火焰，其燃料/氧化剂之比不唯一。FLUENT中的部分预混模型是非预混模型（3.3和3.4节）和预混模型（3.5节）的结合。预混燃烧的反应进度， c，决定了火焰前锋的位置，在火焰前锋的后面（c=1），混合物已燃，使用守恒标量PDF或层流火焰面模型的解；在火焰前锋的前面（c=0），组分质量分数，温度和密度由混合但未燃烧混合物分数来计算。在火焰内部（0 c程序Fluent IncPrePDF4.02（对FLUENT6.0版），则进入PrePDF环境。（2）TAllocate MemoryT首先为计算的问题设置数组空间和分配内存等，如下：SetupMemory AllocationMaximum Number of Species 为PDF表中最大物质数，默认值为20，最大值为65。 Maximum Number of f-mean Points 为PDF表中混合物分数离散点最大个数，默认值为45，最大值为100。 Maximum Number of f-var Points 为PDF表中混合物方差离散点最大个数，默认值为22，最大值为30。 Maximum Number of Enthalpy Points 为PDF表中焓离散点最大个数，默认值为45，最大值为100。 Maximum Number of Scalar Dissipation Points in Adiabatic Flamelet PDF Table为PDF表中标量耗散率离散点最大个数，默认值为45，最大值为100。 Maximum Number of Flamelets 为火焰面模型中火焰面最大个数，默认值为20，最大值为30。（3） T设定问题根据所要计算的问题进行设置SetupCase注：若在Chemistry models中选择Laminar Flamelets，则参见从（13）开始的步骤(4) 定义要考虑的化学组分（5）定义燃料和氧化剂的初始组分Setup Species Composition（6）定义Operating ConditionsSetup Operating Conditions（7）定义化学反应计量系数Setup Species Stoichiometry例如对反应：CHB4B，OB2B，COB2B和HB2BO分别定义为1，2，1，2（如上图所示）。（8）定义创建的PDF表中所用的参数Setup Solution Parameters（9）将输入保存到文件中File Write Input（10）计算并生成PDF表Calculate PDF Table（11）将PDF表保存到文件中File Write PDF（12）计算结果的显示Display 上面两图分别给出了由平衡化学计算得出的混合物分数空间标量（组分和温度）的变化。上图给出了绝热体系中固定标量耗散率时的PDF表中温度随平均混合物分数和混合物分数方差的变化关系。（13）若使用层流火焰面模型（即使用化学动力学反应而非化学平衡），则重新设置计算的问题，如下图。Setup Case（14）定义火焰面实际上，该过程是定义一个层流对撞扩散火焰的构型及燃料和氧化剂的初始状态。上面的面板包括了如下信息的输入（a）提供化学反应动力学机理文件的输入，扩展名为*.che（FLUENT6.0也提供了部分燃料氧化反应的动力学机理供使用），（b）初始燃料和氧化剂的组分浓度（质量分数和摩尔分数），（c）混合物分数空间的离散点数，标量耗散率的最大最小值及其离散点数，解的控制参数，辐射选项等。（15）定义火焰面的操作条件Setup Operating Conditions主要是指定燃料和氧化剂来流的温度和压力（16）定义PDF表的参数Setup Solution Parameters （同（8）（17）定义火焰面模型参数Setup Flamelet Parameters（17）存输入文件Input File 输入文件包括火焰面的定义和其它指定参数。 File Write Input. （18）计算火焰面 Calculate Flamelet （19）存PDF文件File Write PDF.（关于PDF文件的内容可以在PrePDF中以图形的方式查看，这里不再讨论）得到PDF文件后，在FLUENT的计算中即可调用。6.6污染物模型6.6.1 NOBxB 模型l NOBxB 主要由NO（nitric oxide）所组成，此外还包括少量的 NOB2B和NB2BO。其中，NO是造成光化学烟雾、酸雨以及臭氧空洞的主要元凶。FLUENT 中提供了NOBxB产生的如下反应机理：（1） Thermal NOBxB - Zeldovich机理（大气中N的氧化产物），在高温条件下，该机理很重要，（2） Prompt NOBxB Fenimore机理，该机理对NOBxB 的生成贡献相对较小，但在富燃料区缺很重要，（3） Fuel NOBxB -经De Soete，Williams等人发展的经验机理(燃料中含N组分的氧化产物)，在富含N的煤燃烧过程中占主要地位（燃烧温度通常较低），（4） NOBxB reburn chemistry- 通过在富燃料区使NO与碳氢化合物发生反应以减少NOBxB的化学反应过程。l 在FLUENT中将求解NOBxB的输运方程，对Thermal NOBxB机理和Prompt NOBxB机理，仅仅求解NO的输运方程：对Fuel NOBxB机理，除求解上述方程外，还要求解与NO生成密切相关的组分NHB3B和HCN的输运方程：l 湍流流动中NO的生成中还要考虑湍流和化学反应之间的相互作用，为此，FLUENT求解密度加权的时均NS方程以求解温度，速度和组分（或平均混合物分数）。为计算NO的生成速率，须利用平均流场的信息求计算区域内每点的时均NO生成速率，可以采用PDF的方法：对单变量：对两变量：相同的处理也适用与NHB3B和HCN。6.6.2 烟（soot）模型l FLUENT提供了烟生成的两种模型，即Khan和Greeves的单步模型（One-step model）以及Tesner的两步模型（Two-Step model）。l 对于单步模型，FLUENT求解烟质量分数的输运方程： （6-6）上式中，RBsootB代表烟净生成速率源项，即： (6-7)其中，烟形成速率RBsoot,formB由如下的经验关系式来获得：烟燃烧速率RBsoot,combB则如下计算：以上各式中的符号含义如下：CBsB模型常数，PBfuelB燃料分压，当量比，r当量比指数，E/R活化温度，A模型常数，YBoxB，YBfuelB氧化剂和燃料的质量分数，BsootB，BfuelB烟和燃料的计量系数。l 对于两步模型，首先预测核（radical nuclei）的形成，然后再计算在这些核上烟的生成。因此，FLUENT将计算上述两个标量的输运方程，即式（6-6）和下式：其中，b*BnucB为正交的核浓度，R*BnucB为正交的核的净生成速率。RBsootB仍遵循（6-7）式的形式，其中对R*BnucB则有，其中：上式中出现的各种参数和系数在FLUENT中均设有默认值，具体的改动和参见FLUENT6.0使用手册第17章。l 此外，烟模型还可考虑烟与辐射之间的相互作用，此部分内容将在热辐射中介绍。6.7 FLUENT中燃烧模拟计算的步骤和原则u Start in 2D or 3D（1） 确定物理模型的应用范围，（2） 划分计算网格（必要时应根据初步计算结果调整网格疏密），（3） 确定求解量和计算收敛判据。u Boundary conditions（4） 燃烧问题通常对进口边界条件十分敏感，利用已知的（或合理的）速度和标量分布作为边界条件是必要的，（5） 壁面传热对于整个计算也是很重要的，若已知，应指定壁面温度，而非指定边界条件中的内部对流、辐射等。u Initial conditions（6） 尽管稳态问题的解不依赖于初始条件，但很差的初始条件会导致问题不能收敛（由于输运方程的数量和非线性），（7） 对一些燃烧问题，可先求解冷态问题，以此为初始条件求气相燃烧问题，再求解离散相问题，再求解有辐射的问题，（8） 对强旋流，应逐渐增加其涡旋度。u Underrelaxation Factors（9） 松弛的效果是针对高度非线性问题的，n Decrease the diverging residual URF in increments of 0.1n 使用混合物分数PDF模型时应松弛密度（0.5）n 对高浮力流应松弛速度n 对高速流动应松弛压力（10） 一旦获得稳定解，应尝试增加所有量的松弛因子以尽可能地接近默认值。u Discretization（11） 首先以一阶精度的方法离散控制方程，收敛后再以二阶精度离散以