Fluent模拟燃气轮机燃烧室ppt课件.ppt

燃气轮机燃烧室的数值模拟 1 什么是CFD CFD是英文ComputationalFluidDynamics 计算流体动力学 的简称 其基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程 得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布 从而近似模拟流体流动情况 CFD就是利用计算机技术 数值计算技术发展而来的 相当于 虚拟 地在计算机做实验 用以模拟仿真实际的流体流动情况 它是现代模拟仿真技术的一种 2 fluent软件包介绍 FLUENT通用CFD软件包 用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动 采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术 因而FLUENT能达到良好的收敛速度和求解精度 灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型 使FLUENT在转捩与湍流 传热与相变 化学反应与燃烧 多相流 旋转机械等方面有广泛应用 3 FLUENT程序软件包包括以下几个部分 GAMBIT 网格生成FLUENT解算器prePDF 用于模拟PDF燃烧过程TGrid 额外的处理器 用于从现有的边界网格生成体网格 Filters Translators 转换其它程序生成的网格 用于FLUENT计算 可以接口的程序包括 ANSYS I DEAS PATRAN等 4 FLUENT计算过程 5 FLUENT计算步骤 1 确定几何形状 生成计算网格 用GAMBIT 也可以读入其它指定程序生成的网格 2 选择2D或3D来模拟计算3 输入网格4 检查网格5 选择解法器6 选择求解的方程 层流或湍流 或无粘流 化学组分或化学反应 传热模型等 确定其它需要的模型如 风扇 热交换器 多孔介质等模型 7 确定流体物性8 指定边界条件9 条件计算控制参数10 流场初始化11 计算12 检查结果13 保存结果 后处理等 6 Gambit软件的初始化 打开gambit选择求解器正对求解器选择不同的边界条件定义器 7 建立几何模型 利用gambit软件结合普通CAD软件生成几何模型 Gambit中的图形实体为整个计算区域 8 网格生成 Gambit提供在三维计算中提供六面体 楔形 四面体 棱柱体四种可供选择的网格单元 在这四种网格单元中 四面体对几何形状的适应性最强 同时也最为消耗计算资源 在这里选择四面体网格 9 边界条件的定义 SpecifyType 选择边界对应的几何体选择边界的类型 鼠标直接选取 对定义好的边界可以再操作更改 删除 10 输出网格 11 将网格文件读入fluent 将网格数据读入fluent检查网格 保证单元网格没有负体积出现确定网格的几何尺寸以及各参数的单位 12 定义解算器 对于低速问题 通常选用基于压力耦合的隐式求解器 13 湍流模型的定义 Fluent中提供了多种湍流模型可供选择 包括 单方程 Spalart Allmaras 模型 双方程模型 雷诺应力模型和大涡模拟 在这里选择标准 模型 14 组分模型的定义 Fluent中提供了多种组分模型可供选择 在这里 由于液滴参与燃烧 因此采用非预混模型 电机确定后提示输入pdf文件 导入pdf文件后系统各组分材料自动导入 15 非预混模拟方法简介 非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的研究 非预混模型允许预测中间 基本 组分 溶解效应和严格的紊流化学耦合 因为不需要解大量的组分输运方程 该方法在计算上很有效 下面几幅图为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统结构 A 能用单一混合分数模拟的化学反应系统 简单燃料 氧化剂扩散火焰 16 c 用多燃料入口的系统 b 用多氧化剂入口的扩散系统 17 B 能用二混合分数模拟的化学反应系统结构 包含两个不同燃料入口系统 b 包含两种不同氧化剂入口的系统 18 流动是湍流 化学动力学必须迅速以使流动接近化学平衡 化学反应系统必须是有分离的燃料和氧化剂入口的扩散类型 喷雾 喷射 燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类 所有组分和焓的扩散系数相等 是对湍流的良好的近似 当使用单一混合分数时 必须遵守如下条件 1 仅含一种类型的燃料 燃料可由反应组分 例如 90 的CH4和10 的CO 的一种燃烧混合物组成 可包括多燃料入口 然而 多燃料入口必须有同样的成分 不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口 如 一个入口为CH4 一个入口为CO 类似的 在喷雾燃烧系统或包含反应粒子的系统中 仅允许有一种废气 2 仅含一种氧化剂 氧化剂可包括一种组分混合物 如 21 O2 79 N2 可以有多个氧化剂入口 然而 多氧化剂入口必须包含相同的成分 不允许有两个及以上有不同成分的氧化剂入口 如 一个入口为空气 第二而入口为纯氧气入口 三 非预混模拟方法的限制和特别反应类型specialcasesandRestrictionsontheMixtureFractionApproach 非预混方法仅能用于当反应流动系统满足以下要求时 A 限制 19 当使用两个混合分数时 系统中可包含三个流 下面是有效的系统 1 有两个不同组成的燃料流和一个氧化剂流 每一个燃料流可由一种反应组分混合物组成 例如 90 的CH4和10 的CO 可包括每一种燃料流的多入口 但是每一个燃料流入口必须有两种定义的成分中的一种 如 一个入口为CH4 一个入口为CO 2 包括气 液 气 煤 或者液 煤燃料混合物和一种氧化剂的混合燃料系统 在拥有气 煤或液 煤燃料混合物的系统中 煤挥发物和焦炭作为一种单一成分燃料流来对待 3 分别对待煤燃烧中的挥发物和焦炭的系统 4 含有不同成分的两种氧化剂流和一种燃料流 每一氧化剂流可由一种多组份的混合物组成 例如 21 O2 79 N2 每一种氧化剂可以有多入口 但是 每一个氧化剂入口必须含有两种定义成分中的一种 例如 一个入口为空气 第二个入口为纯氧气 5 一个燃料流 一个氧化剂流和一种非反应次要流 注意 非预混模型仅能由分离求解器求解 不支持耦合求解器求解 20 21 PrePDF4 0使用方法 1 开始PrePDF鼠标点击开始 程序 FluentInc PrePDF4 02 对FLUENT6 0版 则进入PrePDF环境 2 AllocateMemory首先为计算的问题设置数组空间和分配内存等 如下 Setup MemoryAllocation 22 根据所要计算的问题进行设置 根据计算问题设置setup Case若在Chemistrymodels中选择LaminarFlamelets 23 定义要考虑的化学组分 Setup Species 24 定义燃料和氧化剂的初始组分 Setup Species Composition 25 定义OperatingConditions及化学计量系数 26 定义创建的PDF表中所用的参数 27 输出pdf文件 将输入保存到文件中File Write Input计算并生成PDF表CalculatePDFTable将PDF表保存到文件中FileWritePDF 28 基本的边界类型 外部面一般 Pressureinlet Pressureoutlet不可压 Velocityinlet Outflow可压 Massflowinlet Pressurefar field特殊 Inletvent outletvent intakefan exhaustfan其它 Wall Symmetry Periodic Axis单元 区域FluidandSolid相交面Fan Interior PorousJump Radiator Walls inlet outlet wall interior Orifice plateandorifice plate shadow 29 重新定义边界条件 一般边界条件在预处理软件中定义 可以在Fluent中更改 Define BoundaryConditions 选择要更改的几何体从Type中选择新的类型 30 给定边界条件参数 在BCpanels中直接赋值 给选定的边界设定 从Zone菜单中选择边界 点击Set按钮利用Copy按钮可以复制边界条件 边界条件的内容可以存盘 也可以读入 file write bcandfile read利用UDFsandProfiles可以定义复杂的边界条件 31 VelocityInlet 定义类型 Magnitude NormaltoBoundaryComponentsMagnitudeandDirection默认值为均匀流动适用于incompressibleflows Staticpressure相应分布 Totalpressure同样用于compressibleflows将有可能导致非物理解 速度设定为负值时 可以用来表示出口 但是必须要保证流量平衡 32 PressureInlet 1 参数确定 TotalGaugePressure驱使流体运动的能量 StaticGaugePressure超音速流动时静压 亚音速时忽略从该边界初始化时有用TotalTemperature对于不可压流作为静温 InletFlowDirection 33 PressureInlet 2 注意的是Gaugepressure必须给定 Operatingpressure定义 Define OperatingConditions同时适用compressible和incompressibleflows Fluent计算时采用staticpressureandvelocity通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定 可以被用作模拟 Free 面 34 MassFlowInlet 参数确定 a MassFlowRateor b MassFlux a 给定恒定的流量 b 利用profiles UDF定义StaticGaugePressure超音速有效该边界初始化有效 TotalTemperature对于不可压流动为静温 InletFlowDirection一般用于compressible 也可用于incompressibleflows Totalpressure由输入变量求得 和pressureinlet相比 收敛性差 35 PressureOutlet 给定staticgaugepressure作为出口处的环境压力 可以定义径向的压力分布 Backflow收敛过程出现最终结果如此 方向是垂直于边界 适用于compressible和incompressibleflows在超音速条件下 忽略所给定的压力值 可以被用来模拟自由流 36 Outflow 不需指定任何速度和压力信息 由内部区域来传递信息 边界上保持流量平衡 在Outflow面上所有参数梯度为零近似于充分发展流适用于incompressibleflows 不能和PressureInlet合用 入口只能是velocityinlet 不能用来模拟密度随时间变化的问题 当存在回流时 很难收敛不能模拟最终结果存在回流的物理问题 37 其它的边界条件 PressureFarField模拟idealgaslaw下的流动 通常给定free streamMachnumber和静态参数 ExhaustFan OutletVent给定压力损失系数 压力降 以及环境参数InletVent IntakeFan模拟风扇运动 给定压力损失系数 压力降 以及环境参数 38 WallBoundaries 速度 无滑移切向速度和固壁面速度相等 法向速度为零可以定义壁面剪切力 热边界 几种不同的条件包括定义壁面厚度 定义运动的壁面 39 SymmetryandAxisBoundaries SymmetryBoundary简化计算量 不需任何参数 计算域和几何形状必须对称 对称面上法向速度为零所有的变量法向梯度为零AxisBoundary模拟二维轴对称问题 不需任何参数 40 PeriodicBoundaries 减小计算量 计算域为周期性运动区域 周期性旋转 周期面上 p 0 周期性平动 在周期面上允许有限的 p 模拟充分发展流 在Gambit中预先定义为translational 41 区域定义 Fluid F