FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟学习教案

1、会计学1FLUENT中组分输运及化学反应燃烧模拟中组分输运及化学反应燃烧模拟第1页/共32页nn流场流动特性及其混合特性n温度场n组分浓度场n颗粒和污染物排放Temperature in a gas furnaceCO2 mass fractionStream function第2页/共32页稀疏相模型液滴/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第3页/共32页(V5)n粉煤与喷油燃烧子模型n辐射模型: DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates (V5)n湍流模型: k-

2、, RNG k-, RSM, Realizable k-(V5) and LES (V5)n污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and soot第4页/共32页n简化化学反应机理n有限速率燃烧模型n考虑湍流及其混合、弱化反应化学n混合分数模型n平衡化学的 PDF模型n层流火焰面模型n进展变量模型nZimont 模型第5页/共32页nRjk (第k 个化学反应生成或消耗的j 组分)是根据 Arrhenius速率公式、混合或涡旋破碎（EBU）速率的小值。.n混合速率与涡旋寿命相关, k /.n物理意义是湍流涡旋是决定化学反应的首要因素。对于非预混燃烧，湍

3、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）的速率。RRjjkk第6页/共32页n部分预混燃烧模型部分预混燃烧模型该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。该方法同时求解了混合分数和反应进展变量第7页/共32页则: n生成新的混合物.n改变已有混合物的物性/化学反应.第8页/共32页.n模型常数不确定, 特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模型常数通用性较差。.第9页/共32页. n用化学平衡计算来处理化学反应(prePDF).n只求解混合物分数及其方差的输运方程, 无需求解组分的输运方程.n

4、可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用第10页/共32页混合物分数代表计算控制体里的燃料质量分数.n混合物分数是守恒标量（conserved scalar）: n组分输运方程中没有化学反应源项.OkFkOkkZZZZf,第11页/共32页n多燃料进口的扩散火焰:60% CH4 40% CO21% O2 79% N2f = 1f = 035% O2 65% N260% CH4 40% CO35% O2 65% N2f = 1f = 0f = 060% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO221% O2 79% N2f = 1f = 0f = 160% CH4 20% CO 10%

5、C3H8 10% CO2第12页/共32页第13页/共32页np(V), the PDF, represents fraction of sampling time when variable, V, takes a value between V and V + V.np(f) can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction, f:nSpecies mole fractionsnTemperature, densityp VVTTii( )lim1iip

6、ff df( )( )01第14页/共32页nFLUENT用第二守恒标量可以模拟:nTwo fuel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa)nNonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizernCo-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuelnFiring single coal with two off-gases (volatiles

7、 and char burnout products) tracked separately第15页/共32页n.第16页/共32页层流火焰面模型u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。l对于混合分数 PDF 模型 (绝热), 热化学状态只是 f 的函数lc 与当地应变率有关u把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非平衡燃烧模拟中u用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰, 对撞扩散火焰2)/(xf c),(cfii第17页/共32页层流火焰面模型(2)u用指定概率密度函数（PDF） P(f,c) 的方法来决定层流火焰面系综。假定的概率包括计算为：Pf (f) Pc (c), 其中，

8、 Pf (f) 用Beta 函数， Pc (c) 用delta函数u只适合绝热系统（FLUENT V5）uImport strained flame calculationslprePDF or Sandias OPPDIF codeuSingle or multiple flameletslSingle:user specified strain, alMultiple: strained flamelet library, 0 a aextinctionna=0 equilibriumna= aextinction is the maximum strain rate before fla

9、me extinguishesuPossible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)10 0)()(),(dfdPfPffiicccc第18页/共32页预混燃烧的Zimont模型u用单个过程变量来模拟热化学过程, u平均反应速率, u湍流火焰传播速度, Ut, 根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑l预混燃料当量比l湍流引起的火焰前锋皱折和增厚l湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄l分子扩散u适合绝热燃烧,u非绝热燃烧必须求解焓方程tcxu cxSccxRciiittic01RUccunburnttpadpppYYc/adunburnt

10、TcTcT)1(第19页/共32页用、颗粒破碎n模拟湍流弥撒n随机轨道（Stochastic tracking）n颗粒云团模型（Particle cloud (V5)）nRosin-Rammler or linear size distributionn非定常流动中的颗粒轨道 (V5)n模拟颗粒分离, 喷雾烘干, 液体燃料或煤粉的燃烧过程。.计算连续相流动场计算颗粒轨道更新连续相源项第20页/共32页相同的初始直径，密度等. n考虑湍流弥散尤为重要n更复合真实物理过程，但计算量更大。n可以通过光滑源项、消除与气相的耦合来强化计算稳定性；Coal particle tracks in an in

11、dustrial boiler第21页/共32页颗粒弥散: 颗粒云团模型u 用平均速度决定颗粒的平均轨道u假定该平均轨道为 3D多变量的 Gaussian 分布，计算颗粒偏离的范围（3倍标准偏差）uRigorously accounts for inertial and drift velocitiesuA particle cloud is required for each particle type (e.g. initial d, etc.)uParticles can escape, reflect or trap (release volatiles) at wallsuElimi

12、nates (single cloud) or reduces (few clouds) stochastic trackinglDecreased computational expenselIncreased stability since distributed source terms in gas phaseBUT decreased accuracy sincelGas phase properties (e.g. temperature) are averaged within cloud lPoor prediction of large recirculation zones

13、第22页/共32页非定常流动的颗粒轨道模拟uEach particle advanced in time along with the flowuFor coupled flows using implicit time stepping, sub-iterations for the particle tracking are performed within each time stepuFor non-coupled flows or coupled flows with explicit time stepping, particles are advanced at the end

14、of each time step第23页/共32页nSeveral devolatilization and char burnout models provided.nNote: 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.第24页/共32页n快速机理（Prompt N

15、Ox）- De Soete, Williams提出的经验机理. n通常该机理对Nox排放量影响较小n富燃燃烧区域该机理有明显作用n燃料 NOx机理- De Soete, Williams等人提出的经验机理.n在煤燃烧中， 燃料中含N高，并且燃烧温度不是很高时起作用。nNOx再燃 (V5)n在燃料富足的燃烧区域，NO会与碳氢化合物反应，使得NO 减少第25页/共32页烟（Soot） 模型u两种烟模型:lOne-step 模型 (Khan and Greeves)n1个输运方程，烟质量分数lTwo-Step 模型(Tesner)nTransport equations for radical nu

16、clei and soot mass fraction concentrationsuSoot 生成采用经验公式其中, C, pf, 和 F 是模型常数, 燃料分压力和当量比。u采用Magnussen模型计算 Soot 燃烧 (消耗)uSoot 对辐射的影响l激活Soot面板上的Soot-Radiation 选项RTEnfformationepCR/F第26页/共32页优先给定边界温度，很难给定对流换热或者辐射换热量n初始条件初始条件n稳态解跟初始值无关，但给的初始值不好，由于各个方程之间不和谐和输运方程的非线性，导致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；n对于强旋流动，渐渐增加旋流速度；第