13-fluent_反应流模型

1、FLUENT中的反应流模型,Introductory FLUENT Training,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 有限速率化学模型 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 其它模型 污染物行成模型(Pollutant Formation Models) 表面反应 附录,Temperature in a Gas Furnace,CO2 Mass Fraction,Stream Function,反应流系统应用,FLUENT 化学反应模型可以应用于很大

2、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 可以预估 流场和混合特征 温度场 介质浓度 微粒和污染物 （ pollutants）,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。 化学 现实中的化学反应不能使用单一的反应方程来表示。 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 湍流和化学间的交互作用 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。,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

3、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。,反应流模拟总览,输运控制方程 质量 动量 湍流 能量 化学组分,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,污染物模型 (NOx, 烟灰等.),辐射模型,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

4、化学物质被认为与相同组分的气相物质不同。 沉积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,同相反应,非预混反应系统 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。 湍流扰动层流火焰形状，加速火焰传播。 部分预混反应系统 反应系统包括非预混和预混流。,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 Damkhler 数

5、。 Reynolds数 , 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 Damkhler数 高Damkhler数（Da1）表示需要使用气相湍流燃烧模型。,反应流问题的特征,马赫数Mach number 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 高Boltzmann数表示对流是主要的传热形式。 当Bo10时，需要考虑辐射传热。,Stefan-Boltzmann constant 5.67210-8 W/m2K4,Local speed of sound (sonic velocity),*Rat

6、e classification not truly applicable since species mass fraction is not determined.,CHEMISTRY,FLOW CONFIGURATION,FLUENT中反应流模型概览,涡耗散 使用1步或者2步总包（热扩散）反应原理. 化学反应速率由湍流混合速率决定。 有限速率项选择预混合火焰。 非预混模型 使用混合物比例和假定的PDF替代求解化学平衡中的物质输运和反应比例方程。 层流小火焰模型用于中等的非平衡化学反应。 预混模型 使用反应程序.c文件建立化学反应。 湍流火焰速度闭合-Zimont模型。 部分预混合 联合非

7、预混和预混模型。 两种模型都假设成立。 涡耗散概念 (EDC) 为湍流火焰建立湍流/化学交换作用的模型。 包括详细的化学反应。 PDF传输模型 比EDC模型更加严格的考虑湍流-化学之间的相互作用。 考虑更充分，但也占用更多的计算机资源!,同相（气相）燃烧模型,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 有限速度化学模型 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 其它模型 污染物行成模型(Pollutant Formation Models) 表面反应 附录,大 纲,涡耗散模

8、型 (EDM),适用条件 流域：湍流 (高雷诺数) 化学：快速化学反应 (高Da) 构造：预混/非预混/部分预混 案例： 气体反应 煤燃烧 限制条件 当混合和运动时间尺度大小相似时(Da 1)，结果不可靠。 不能预测中间组分和离解效果。 不能模拟动力学细节现象，比如点火，熄火和低Da数流。 求解物质输运方程，湍流混合控制反应速率。,预混燃烧模型,适用条件： 流域：湍流 (高雷诺数) 化学：快速化学反应 (高Da数) 构造：只有预混气流 案例： 预混合反应流系统 贫氧预混燃气涡轮燃烧室 限制条件 不能模拟化学动力学中的细节（比如点火，熄火和低Da数流动）。 使用反应进展变量追踪火焰前沿轨迹 (Z

9、imont模型)。,非预混平衡模型,适用条件 流域：湍流 (高雷诺数) 化学：快速化学反应 (高Da), 假定平衡环境 构造：只有非预混合 案例 气体反应（熔炉，火炉）。对于需要模拟中间产物浓度和离解效应的问题，那么采用这种模型是个较好的选择，不需要知道详细的化学反应速率。 限制条件 当混合和运动时间尺度大小相似时(Da 1)，结果不可靠。 不能模拟化学动力学细节现象（比如点火，熄火，低Da数流动）。 求解输运方程中的混合分数和混合分数变化。 (不是单独的物资方程)。,部分预混燃烧模型,适用条件 流域：湍流 (高雷诺数) 化学：平衡或者适度的非平衡（火焰） 构造：只有部分预混合 案例 有冷却孔

10、的燃气涡轮燃烧室。 同时有预混和非预混流的系统。 限制条件 当混合和运动时间尺度大小相似时(Da 1)，结果不可靠。 不能模拟化学动力学细节现象（比如点火，熄火，低Da数流动）。 部分预混模型中，结合了反应进度变量和混合分数方法。输运方程需要求解反应进度变量，混合分数和混合分数变化。,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 有限速度化学模型 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 其它模型 污染物行成模型(Pollutant Formation Models)

11、 表面反应 附录,详细化学反应模型,详细化学反应的控制方程一般难以求解： 上十种物质 上百种反应 反应时间尺度间的差别较大 详细化学动力学建模： 火焰点燃和熄灭 污染物 (NOx, CO, UHCs) 慢化学反应 (非平衡) 液体间反应 可用的模型： 层流有限速率 涡耗散概念模型 (EDC) PDF 输运 动力学模型 (需要附加的license) CHEMKIN-格式的反应机理和热物理性质，可以直接输入。 FLUENT 使用In-Situ Adaptive Tabulation (ISAT)算法加速计算（可以用于层流，EDC,PDF输运模型） 。,层流有限速率模型,适用条件 流域：层流 (低雷

12、诺数) 化学：有限速率化学反应 构造：预混/非预混/部分预混 案例 层流扩散火焰。 煤气炉中的层流预混合火焰。 限制条件 需要占用较多的CPU资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。 一般不适合湍流燃烧模型。 层流有限速率模型需要使用刚性化学求解器（ stiff chemistry solver ） (pressure和density求解器都有效)。,涡耗散概念模型 (EDC),适用条件： 流域：湍流 (高雷诺数) 化学：有限速率化学反应 构造：预混/非预混/部分预混 案例： 湍流反应流中的有限速率化学反应 CO的缓慢燃烧 NOx 形成 限制条件： 需要占用很多的CPU资源。默认使用ISAT算

13、法进行计算加速。 （附录中有详细说明）。 EDC模型是涡耗散模型在湍流中模拟有限速率化学反应的扩展。,PDF输运模型,适用条件： 流域：湍流 (高雷诺数) 化学：有限速率化学反应 构造：预混/非预混/部分预混 案例： 湍流反应/燃烧流，预混有限速率现象，例如CO和NOx的形成 液体间的反应 限制条件 PDF输运模型使用了蒙特卡洛方法，十分占用计算机资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。 湍流火焰加入了有限速率化学反应，使用了复合概率密度函数 （PDF）输运模型。 比EDC模型更严格 使用蒙特卡洛方法,定常和非定常小火焰模型,适用条件： 流域：湍流 (高雷诺数) 化学：由于空气动力学约束形成的

14、适度 非平衡 构造：只有非预混合 案例： 预测喷流火焰 内燃机（只有柴油机非定常火焰子模型） 液体间的反应 (非定常火焰子模型) 限制条件 定常方法不能模拟详细化学动力学中的实际现象 (比如点火，熄火和低Da数流)。 层流火焰模型中，解算出输运方程中的混合分数变化。为考虑非平衡效果，计算了梯度扩散（火焰应变比例）。,Flamelet structure,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 有限速度化学模型 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 其它模型

15、污染物行成模型(Pollutant Formation Models) 表面反应 附录,污染物形成模型,NOx 形成模型 (定性预测NOx 形成趋势). FLUENT 包括三种计算NOx 产物的反应模型 Thermal NOx Prompt NOx Fuel NOx NOx 再燃烧模型 选择Non-Catalytic Reduction (SNCR)模型 烟灰形成模型 一步和两步模型 烟灰影响辐射吸收 (在 Soot 面板中选择Soot-Radiation选项) SOx 形成模型 求解SO2, H2S的附加方程, 以及 SO3 附加方程可选。 通常，SOx预测是个后处理过程。,表面反应,化学物

16、质沉淀在表面，和气体中相同的化学物质有个明显的分界。 每个表面吸附（或者点）物质都要求解点平衡方程。 可以考虑详细的表面反应机理 (任意数量的反应步和任意数量的气体相或/和点物质)。 CHEMKIN格式的表面化学反应机理可以导入。 表面反应可以发生在壁面或者多孔介质上。 不同的表面反应机理可以运用在不同的表面。 案例 催化反应 CVD,Outline,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 有限速度化学模型 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 其它模型 离散相模型

17、 (DPM) 污染物行成模型(Pollutant Formation Models) 表面反应 附录,附 录,涡耗散模型 (EDM),估计平均反应率（物质k）， Rk 模型。 使用eddy-breakup model模拟反应率 假设化学反应比湍流混合化学物质进入火焰的速度快得多。 (Da 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 / 。 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。,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

18、，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 coefficients 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）。,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中通过下式计算出平均反应率： PDF输运方程有十分高的维度，而且不

19、能用有限体积方法求解，是通过蒙特卡洛方法解算的。,复合PDF输运模型,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,

20、 EDC, 和层流有限比例模型,NOx 模型,NOx 由氮的氧化物组成，对环境有害 FLUENT 有三种计算NOx 产生的机理。 Thermal NOx 高温时十分有效 Prompt NOx 在富燃区有效 Fuel NOx 燃料中氮的含量高而且温度也相对较低时使用 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,示例,富燃，预混火焰 EDC PDF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-1

21、600 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,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 轴对称火焰管 几何量d = 10.25 cm, L = 42.92 cm 丙烷/空气混合物V = 25 m/s, T = 800 K 火焰稳定段51% open area,Propane/air,7,056 quad elements,* D.N. Anderson, NASA Lewis

22、Research Center, NASA-TM-X-71592, March 1975.,富燃预混合火焰,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 丙烷详细的化学机理 NO 和 N2O 形成的Kundu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。 EDC 模型 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 复合PDF输运 正确模拟湍流-化学相互作用,* K.P. Kundu et al., NASA Lewis Research Center, AIAA Paper No. 98

23、-3986, July 1998,PDF model,Laminar Finite-Rate Model,EDC model,富燃预混合火焰 温度云图,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,” Combustion Science and Technology, 122, 131 Ref. 1,Exhaust,7 Cooling loops,Measurement Locations z = 0.25 m, z = 0.85 m,Inlet Swirl Number = 0.923 F

24、low Rate = 2684 kg/hr Coal flow rate = 263 kg/hr Coal + transport air = 421 kg/hr,1/4 Geometry,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,气相燃烧模拟,Contours of Mean Temperature (K),离散相,Gottelborn hvBb 煤 起始 (重量 %, 干燥) 挥发物 55.0, 固定碳 36.7, 灰 8.3 最终 (重量 %, daf) 80.36 C, 5.08 H, 1.

25、45 N, 0.94 S, 12.17 O. 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1.36 单比例 devolatization模型 A = 2105 s-1 E = 7.4107 J/kmol 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,温度/组分结果,平均温度 (K),平均 NO (ppm, dry),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 vanes,Fuel inlet nozzles,Dilution air inlets,气相燃烧模拟,Contours of Mean Temperature (K),NOx 模拟,Thermal and fuel NOx,Contours of Mean NO (ppm, wet),NOx 模拟,NO