13 fluent 反应流模型总结

1、FLUENT中的反应流模型中的反应流模型Introductory FLUENT Training? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 大?纲基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型?涡耗散模型(EDM)预混模型非预混模型部分预混模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层流小火焰污染物行成模型(Pollutant Formation Models)表面反应?有限速率化学模型?其它模型?附

2、录10-2ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反应流系统应用?FLUENT 化学反应模型可以应用于很大范围内的均匀和非均匀反应流。?熔炉锅炉加热器燃气涡轮火箭发动机流场和混合特征温度场介质浓度微粒和污染物（ pollutants）Temperature in a Gas Furnace?可以预估?CO2Mass Fraction?Stream Function? 2006 ANSYS, Inc. All rights reser

3、ved.10-3ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反应流模拟的难点?湍流?大多数工业产生的流体流动都是湍流。因为具有很大的时间和空间尺度，所以对非反应湍流和反应湍流，DNS方法并不适用。现实中的化学反应不能使用单一的反应方程来表示。?化学?十几种组分，可能有上百种反应。只有有限数量的燃料知道反应细节。?反应时间尺度范围大化学反应速率的变化和湍流中物质混合程度有十分密切的关系。?湍流和化学间的交互作用? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-4ANSYS, Inc

4、. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 燃烧中的化学动力学模拟?简化化学模型(使用有限速度/涡耗散方法).?考虑全局的化学反应原理。?化学反应与湍流混合过程分离考虑（使用混合比方法）?平衡化学PDF模型层流火焰模型部分预混模型?模拟详细化学反应(占资源)?需要特别小的时间步长来满足数值的稳定性和收敛性使用stiff solver将可以允许稍大的时间步长。? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-5ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT Note

5、sFLUENT v6.3 Aug 反应流模拟总览离散相模型液滴/质点 动力学异相化学反应液化作用蒸发作用反应模型快速化学反应有限速率化学反应预混部分预混非预混输运控制方程质量动量湍流能量化学组分污染物模型(NOx, 烟灰等.)辐射模型? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-6ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反应系统定义?反应系统可以分成两类?同相反应?反应物与产物同相。?异相反应?反应物与产物不同相。表面沉积的化学物质被认为与相同组分的气相物质不同。? 沉积

6、率同时受化学动力学和组分扩散率影响。? 壁面反应是产生体相中化学物质的来源，而且决定了表面的沉淀比例。?表面反应： CVD, 催化反应? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-7ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 同相反应?非预混反应系统?FuelReactorOxidizerOutlet反应物从火焰的两边对流/扩散进入。可以简化成混合问题。湍流旋涡扰动层流火焰形状加强了混合。?预混反应系统?传播速率（火焰速度）取决于内部火焰结构。?比非预混燃烧问题更难建模。湍流

7、扰动层流火焰形状，加速火焰传播。Fuel+OxidizerReactorOutletSecondaryFuel or Oxidizer?部分预混反应系统?反应系统包括非预混和预混流。Fuel+OxidizerReactorOutlet? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-8ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反应流问题的特征?反应流问题通过一系列无量纲变量来表示。两种最重要的无量纲变量是Reynolds 数和Damk? hler 数。Reynolds数Iner

8、tial Force?U LRe?Viscous Force?, U, L, 分别是密度，速度，特征长度和动力粘性系数高雷诺数将表现为湍流?Damk? hler数?mixingMixing Time ScaleDa?Chemical Time Scale?reaction?高Damk? hler数（Da1）表示需要使用气相湍流燃烧模型。10-9ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反应流问题的特征?马赫数Mach numberCo

9、nvection velocity UMa?Sonic velocitycLocal speed of sound(sonic velocity)?高马赫数(Ma 0.3) 表示可压缩性表现明显。对于低马赫数流动，可以使用非预混模型。?Boltzmann数Convection Heat Flux(?U CpT)inletBo?4Radiation Heat Flux?TadStefan-Boltzmann constant5.67210-8W/m2K4?高Boltzmann数表示对流是主要的传热形式。当Bo 1)燃烧完全通过湍流混合比例控制，湍流混合比例是指大涡存在时间标量比例, k / 。?

10、总包反应（一步或两步）每种物质都需要解算雷诺（时间）平均物质质量分数方程。有限比例/涡耗散选项?反应率是Arrhenius比例和涡耗散比例的最小值。10-29ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 非预混模型?湍流中无限快速反应，当油和氧化剂混合（有限的混合）的时候，瞬间达到化学反应平衡。物质和焓输运方程合并成为单一的混合分数守恒方程，f，它满足下列假设条件：?物质扩散系数相等 Species diffusion coefficie

11、nts are equal每种物质的Lewis 数必须一致相等中等马赫数?混合分数可以直接和物质质量分数，混合密度，混合温度相关。这些关系称作瞬间（不是时间平均的）数据。使用概率密度函数把瞬间数据转变成为时间平均数据（湍流反应流模拟预估时间平均属性）。10-30ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 复合PDF输运模型?复合概率密度函数（PDF）输运模型用来模拟湍流焰中的有限速率化学反应。?比EDC模型更严格?可以从PDF中通过下式

12、计算出平均反应率：?11?k?w ?kP dYN? dY1dTw0 00?PDF输运方程有十分高的维度，而且不能用有限体积方法求解，是通过蒙特卡洛方法解算的。? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-31ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug In-Situ Adaptive Tabulation (ISAT) 算法?初衷?当使用详细化学反应模型（EDC，综合PDF，层流有限比例）时，每个单元（或者每个粒子）在每步迭代都需要求解刚性反应系统（ODE的集合）需要一种高效

13、的方法获得只关心部分的数据。?In-situ adaptive tabulation (ISAT) 方法可以加快反应表格的生成和数据的查看。优点?避免重复的数值积分，节省了计算机CPU的计算时间。初始迭代比较慢（表格正在建立），但是计算在加速运转中。?适用条件?ISAT 可以使用于PDF输运, EDC, 和层流有限比例模型? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-32ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug NOx模型?NOx由氮的氧化物组成，对环境有害FLUENT 有

14、三种计算NOx产生的机理。?Thermal NOx?高温时十分有效在富燃区有效燃料中氮的含量高而且温度也相对较低时使用?Prompt NOx?Fuel NOx?User-defined function?NOx再燃?NO 可以通过和富含燃料区域中的碳氢化合物反应而减少。?Non-Catalytic Reduction (SNCR) 模型。NOx形成的定性预测10-33ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 示例?富燃，预混火焰?ED

15、CPDF传输层流有限速率?IFRF 旋涡煤粉火焰?详细化学反应模型DPM辐射?GE LM-1600 燃气涡轮燃烧室?非预混， 层流小火焰温度和燃料NOx预测?D形西瓜火焰（Sandia Flame D）?非预混湍流扩散火焰EDC / PDF 传输比较?催化燃烧?表面反应多孔介质? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-34ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 案例学习: 富燃预混合火焰?富燃预混合预蒸发（LPP）丙烷/空气火焰?减少燃烧污染物(CO 和NOx)的扩散

16、?轴对称火焰管?几何量丙烷/空气混合物火焰稳定段Propane/aird = 10.25 cm, L = 42.92 cmV = 25 m/s, T = 800 K51% open area7,056 quad elements* D.N. Anderson, NASA Lewis Research Center, NASA-TM-X-71592, March 1975.? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-35ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 富燃预混合火

17、焰?湍流化学相互作用弱?完全预混合火焰区薄化学反应正好在火焰阵面之后发生NO 和N2O 形成的Kundu机理?丙烷详细的化学机理?17 种物质和23步反应?有限速率化学燃烧模型?层流有限速率模型?完全忽略湍流-化学间的相互影响。可能导致NOx的低预测反应发生非常快，而且NOx只有很少的时间累积正确模拟湍流-化学相互作用?EDC 模型?复合PDF输运?* K.P. Kundu et al., NASA Lewis Research Center, AIAA Paper No. 98-3986, July 1998? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-

18、36ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 富燃预混合火焰 温度云图EDC modelLaminar Finite-Rate ModelPDF model? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-37ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug IFRF旋涡煤粉火焰?IFRF 工业生产规模的电炉1997年，Peters和Weber 进行的模拟仿真 ，“建立2.4兆瓦的旋涡煤粉火焰数学模型,

19、” Combustion Science and Technology, 122, 131 Ref. 1Exhaust1/4 Geometry7 Cooling loopsMeasurement LocationsInletz = 0.25 m,z = 0.85 mSwirl Number = 0.923Flow Rate = 2684 kg/hrCoal flow rate = 263 kg/hrCoal + transport air = 421 kg/hr? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-38ANSYS, Inc. Proprietary

20、IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 网格?三维周期的四分之一几何模型非结构六面体网格?自适应前7万单元对靠近入口区域自适应后有26万单元最大的网格扭曲度是0.53? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-39ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 气相燃烧模拟Contours of Mean Temperature (K)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-40ANSYS, I

21、nc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 离散相?Gottelborn hvBb 煤?起始(重量%, 干燥)?挥发物55.0, 固定碳36.7, 灰8.380.36 C, 5.08 H, 1.45 N, 0.94 S, 12.17 O.?最终(重量%, daf)?较低的生热值(LCV, MJ/kg daf)?挥发物32.3, 烧焦32.9?Rosin-Rammler 大小分布?最小1 m, 最大300 m, 平均45 m, 带宽1.36A = 2105s-1E = 7.4107J/kmol?单比例devolatization模

22、型?Kinetics/diffusion-limited 表面燃烧随机轨道模型?每步DPM迭代21600轨迹, 10 个粒子大小每步DPM迭代中进行25种气相迭代10-41ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 温度/组分结果?平均温度(K)?平均NO (ppm, dry)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-42ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFL

23、UENT NotesFLUENT v6.3 Aug GE LM-1600燃气涡轮燃烧室?Courtesy Nova Research and Technology Corp., Calgary, Canada非预混合, 天然气12.8 MW, 19:1 压力比(全负荷)环形燃烧室, 18个喷嘴Swirl vanesFuel inlet nozzlesDilution air inlets? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-43ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Au

24、g 气相燃烧模拟Contours of Mean Temperature (K)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-44ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug NOx模拟?Thermal and fuel NOxd?NO?2Ae?E/RT?O?N2?dtContours of Mean NO (ppm, wet)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-45ANSYS, Inc. ProprietaryIntroduct

25、oryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug NOx模拟?NO出口流量vs.燃烧室负荷?XV?dA?NOexitflux?10?V?dANO6? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-46ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug D形西瓜火焰-PDF 输运?试验?非预混合甲烷， 湍流扩散火焰D形西瓜火焰?几何?2352个矩形网格单元的轴对称网格?湍流?标准k，其中C1= 1.52,，ScT= 1.0 ?混合?使用C= 2 ，IEM和修正Curl?化学?1

26、6种组分? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-47ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug Mean TemperatureRMS TemperatureMean CORed symbol : Experiment, Blue solid line: Modified Curl, Green dashed line : IEM? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-48ANSYS, Inc. ProprietaryIntr

27、oductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 催化燃烧?单通道模拟:?在壁面发生的反应二维轴对称几何假设整体为多孔介质多孔介质中考虑压力下降和流体加速多孔介质中有反应的发生(指定表面体积比)二维轴对称几何?整体模拟:? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-49ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 单通道? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-50ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 模型设置 单通道Platinum CatalystT = 1290 KCH4airL = 10 cmD = 2 mm?边界条件:?体积分数: 3% CH4入口流速: 5 m/s入口温度: 600 K?气相物质:CH4, O2, H2, H2O, CO, CO2, N2, OH?表面物质:Pt(s), H(s), O(s), OH(s), H2O(s), H3(s), CH2(s), CH(s), C(s),