非预混燃烧模拟PPT课件

.1，在Fluent上进行非混合燃烧模拟，演讲者：闰钝病，2，的强烈发热和发光燃烧的快速化学反应过程称为燃烧。燃烧过程是综合物理和化学相互作用的过程，是质量、动量和能量交换的过程。燃烧现象包括流体流动、传热、传质和化学反应，以及它们之间的相互作用。控制燃烧过程的基本方程包括混合物质量守恒方程、成分质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。燃烧可以根据燃料和氧化剂的预先混合与否来划分。示例混合燃烧和非示例混合燃烧，非示例混合燃烧燃料和氧化剂以不同的流动流入反应区。也就是说，通过不同的输入路径流入反应区域的燃烧称为非示例混合燃烧，此时燃烧和混合几乎同时发生。I .初步介绍，3，基础：在一系列简化假设中，流体的瞬时热化学状态与守恒量混合分数f相关。方法：求解一个或两个守恒量(如混合分数)的输运方程。对象：用于模拟快速化学反应的湍流扩散火焰。介绍了模拟非预混合燃烧方法，4，2。典型的系统结构、非预混合模拟方法已明确用于模拟快速化学反应的湍流扩散火焰研究。使用非混合模型，可以预测中间(基本)成分、溶解效果和严格的湍流化学耦合。不需要求解大量成分运输方程，所以这种方法对计算很有效。以下是FLUENT可以处理为非混合模型的典型反应系统结构：a .可以用单个混合分数模拟的化学反应系统，用简单燃料/氧化剂扩散火焰的系统，5，c .使用多燃料入口的系统，b .使用多氧化剂入口的扩散系统，6，B. 2可以用混合喷泉模拟的化学反应系统结构，包含两个不同燃料入口系统的系统，b .包含两个不同氧化剂入口的系统。7，流是湍流。化学动力学要快，使流动接近化学平衡。化学反应系统必须是具有分离燃料和氧化剂入口的扩散类型(也可能是喷雾(喷雾)燃烧和粉碎燃料火焰)。所有成分和焓的扩散系数相同。湍流的好近似值。使用单个混合分数时，(1)必须只包含一种类型的燃料。燃料可以由反应成分(例如90%的CH4和10%的CO)的燃烧混合物组成，并且可以包含多个燃料入口。但是多燃料入口必须有相同的成分。不允许两个或多个具有不同燃料成分的燃料入口(例如，一个入口为CH4，一个入口为CO)。同样，包含喷雾燃烧系统或反应粒子的系统只允许有一种废气。(2)只含有一种氧化剂。氧化剂可以包括可能具有多个氧化剂入口的成分混合物(例如21% O2，79% N2)。但是多氧化剂入口必须包含相同的成分。具有不同成分的氧化剂入口不允许超过两个(例如，入口是空气，入口是纯氧入口)。iii .非混合模拟方法的限制和特殊反应类型specalcasesandrestrictionsonthemixturefractionapproach，非混合方法是反应流系统对a .的限制，8，使用两个混合分数时，仅在系统可以包含三个流的情况下可用。以下是有效的系统：(1)有两种不同的燃料流和氧化剂流。每个燃料流可以由一种反应成分混合物(例如，90%的CH4和10%的CO)组成。可以包含每个燃料流的多个入口，但是每个燃料流入口必须具有两个定义的组件之一(例如，一个入口为CH4，一个入口为CO)。(2)包含气-液、气-煤或液-煤燃料混合物和氧化剂的混合燃料系统。在具有气-煤或液-煤燃料混合物的系统中，煤挥发性物质和焦炭被视为单组分燃料流。(3)单独处理煤燃烧挥发性物质和焦炭的系统。(4)含有两种氧化剂流和其他成分的燃料流。每个氧化剂流可以由多种成分的混合物组成(例如21% O2，79% N2)。每个氧化剂可以有多个入口，但每个氧化剂入口必须包含两个定义的成分之一(例如，入口是空气，第二个入口是纯氧)。(5)燃料流、氧化剂流和非反应二次流。注意：非混合模型只能由分离求解器解决，不支持合并求解器。9，图是不能用预混合模型模拟的预混合结构，10，11，f是一个守恒量，所以废气循环入口的混合分数是，或，表达式的情况下，fexit是出口混合分数(和废气循环入口的混合分数)，氧化剂入口的质量流动速度，燃料入口的质量流动速度，循环入口的质量流动速度。(30)，12，包含二次流时，具有废气循环的非混合模拟图，(32)，(33)，13，4。描述非混合模拟方法的特定细节、混合分数及其相关量和系统化学反应的模型湍流-化学反应交互的PDF模拟非混合模型的非绝热扩展，14，(a)混合分数及其相关量和样式。混合分数定义DenitionoftheMixtureFraction。混合分数是所有组件(CO2、H2O、O2等)中燃烧和未燃烧燃料流的元素(c、h等)的本地质量分数。燃料流的元素质量分数，包含所有源自燃料流的元素，例如非活动成分、N2和O2。这个值是保留的。混合分数取决于原子质量分数：格式：Zi元素I的元素质量分数。下标ox表示氧化剂流动入口的值，而fuel表示燃料流动入口的值。(1)，15，在参与二次流的流中，燃料和二次流混合分数简化为燃料和二次流的质量分数，系统中fuel、secondarystream和andoxidizer三个质量分数的总和始终等于1:这表示在混合分数空间中仅对平面ABC(请参见图1)中的点有效，因此不能独立更改ffuel和fsec。它们的值仅在图1所示的三角形OBC内时有效。(2)，16，FLUENT离散三角形OBC如图所示。对于原始混合分数，原始混合分数ffuel允许在0到1之间进行更改，辅助混合分数由联机时的fsec:样式的顺序确定。psec标准辅助混合分数，直线和辅助混合分数轴的交点。与图14.1.2ffuel、fsec、andpsec的关系不同，psec的值仅限于0到1之间的值，(3)、17，混合分数的输运方程transportequationsforthemixturefraction，在湍流情况下，湍流流远远超过分子扩散，因此在相同扩散率的假设下，组件方程可以减少为混合分量f的单个方程。a .平均值(时间平均值)混合分数方程式为：源Sm表示质量由液体燃料液滴或煤等反应粒子进入大气。Suser为所有用户定义源条目。(4)，18，b .平均混合分数平均平方值的保留方程式、常数、Cg和Cd分别取0.85、2.86和2.0，Suser定义使用者的来源项目。混合分数平均平方值为描述湍流-化学反应的闭合模型，(5)，19，C. 2对于混合分数问题，分别使用方程a和b的和，来表示，和。因此，可以用方程计算，用，替换，求解方程b就行了。二次流的总量与总质量流比相比相对较小，事实证明，用它代替解方程是正确的。20，大涡模拟(LES)非预混合模型the non-premixed dmodelforLES，a .大涡模拟(LES)，除了二次网格尺度粘度外，其形式与方程(4)相同，对于b .混合分数平均平方值，表达式Lsgs=次要格线标注。，(6)，21，考虑包括燃料流(f)、氧化剂流(o)和生产物流(p)在内的简单燃烧系统，在化学额定功率条件下用符号表示：混合分数与平衡比率的关系mix ture fractional vs . equivalence ratio，平衡率为、样式、(7)、(8)、22，在大多数一般混合条件下，可以将简单的燃烧系统方程写如下：观测方程的左侧，可以推送到系统的整体混合分数。这是化学等效条件(如)或燃料丰富的条件(如)(9)、(10)、23、F和组件质量分数、密度和温度之间的关系relationshipoftospeiesmassfraction，density，and temperature，a .绝热反应系统单燃料-氧化剂系统，质量分数，24，a .对于非绝热反应系统单混合分数系统，此关系总结为，其中H*为瞬时焓，(13)，(15)，(14)，25，(b)描述系统化学反应的模型modelsdescristingthesystemchemistry，a .火焰表面近似theflamesheetapproximation(混合=燃烧，mixed-iii通过这种解释，组件质量分数可以直接确定给定的反应化学当量，而无需反应率或化学平衡信息。这个简单的系统说明组件质量分数和混合分数之间的直线关系是通过应用火焰表面近似得到的组件质量分数和焓，26，不需要反应速度或平衡计算，因此火焰曲面近似可以轻松快速地计算。但是，火表面近似模型仅限于一步反应预测，无法预测中间成分的形成或离解效果。这可能会导致火焰峰值温度过高，尤其是包含高温的系统，如预热或富氧系统。平衡假设EquilibriumAssumption:平衡模型假设化学反应足够快，以便始终保持化学平衡在分子水平。根据最小吉布斯自由能的定律，组件的摩尔分数可以用f计算。图表显示了大气中甲烷燃烧包含10种成分的反应系统的摩尔分数。平衡模型有效，因为可以预测不需要中间成分的生成和详细的化学动力学比数据的知识。FLUENT根据化学平衡预测每个成分的摩尔分数。27，FLUENT允许对低于指定限制frich的瞬时混合分数限制完全平衡计算。在燃料丰富的区域(例如，大于1.5的平衡比)，如果瞬时混合分数超过frich，FLUENT将关闭燃烧反应，并假定未燃烧的燃料与反应物质共存。在此燃料丰富区域中，低于已知混合分数值的组件由有限混合(f=frich)和已知化学等效燃料入口流(f=1)组成。化学当量可以人为给出，也可以由富里(f=frich)中的化学平衡自动确定。这种方法，即使用部分平衡方法，可以绕过丰富火焰区域中复杂的平衡计算。富焰区域的复杂平衡计算可能需要很长时间，并不代表实际燃烧过程。如果需要完全平衡方法，可以简单地将父子限制定义为frich=1.0。平衡计算中包含的组件必须位于prePDF访问的化学数据库中。注：化学平衡计算中包含的组件可能不包含NOx组件，因为NOx反应慢，平衡假设处理不适用。为此，集成在FLUENTNOx后处理器中的有限率化学动力学最准确地预测了NOx浓度。28，c .非平衡化学反应Non-EquilibriumChemistry(小火焰模型(FlameletModel):在非平衡效应的非常重要的燃烧模型中，假定局部化学平衡可能会产生不真实的结果。平衡假设破裂的典型例子是模拟碳氢化合物的火焰，预测控制NOx生成的中间成分和模拟喷射火焰的lift-off和blow-off现象。克服这些模拟障碍有多种方法。平衡/限制限制方法(由b说明)，用于在FLUENT中模拟碳氢化合物火焰的燃料丰富的边缘。小火焰模型是解决这些问题的更常见的解决方案。29，方程11-15描述了平衡、小火焰或混合disburned化学反应模型主语中混合分数和元件质量分数、密度和温度之间的瞬时关系。但是流动性对预测湍流流动感兴趣的是预测这种脉动量的时间平均值。这些时间平均值与依赖湍流-化学反应相互作用模型的瞬时值有什么关系？应用非混合模拟方法时，FLUENT将假设概率密度函数方法(PDF)作为闭合模型应用。本节介绍PDF封闭模型。(c)湍流-化学反应相互作用的PDF模拟pdfmodelingofturbulence-chemistry interaction，用于计算湍流中f的瞬时脉动值的概率密度函数p(f)，以及依赖于f的变量的时间平均值，30，概率密度函数p(f)可被视为在状态f中流动的时间分数。图中显示了此概念。f的脉动值根据一定范围的时间分数绘制在图形的右侧。P(f)绘制在图形的左侧，表示此范围内曲线下方的面积值。与此范围内的f相同的时间分数。函数p(f)的分布取决于f中湍流脉动的性质。实际上，p(f)由数学函数表示，类似于实验中观察到的PDF形状。数学样式，即格式：T小时刻度，用在f上的总时间。(16)，31，b .摩尔分数、温度和密度的时间平均值(在绝热系统中)，a .单个混合分数系统，摩尔分数和温度的时间平均值，密度的时间平均值，(18)，(17)，32，表示式：P1为ffuel的PDF，p2为psec的PDF。其中，假设ffuel和PSC具有统计独立性，则p (f fuel，PSC)=P1 (f fuel) p2 (psec)。b .如果存在二次流，则摩尔分数和温度的时间平均值为：密度的时间平均值为：或者在气体定律方程式中使用瞬间组件的摩尔分数和温度的瞬间密度(19)，(20)，33，C.PDF形状，在FLUENT中假定的PDF，其形状p(f)，两个数学函数之一。最接近实验中观察到的PDF的结果分布仅受平均混合分