4-燃烧数值模拟高级教程

燃烧数值模拟高级教程高效清洁能源课题组燃烧模型介绍燃烧模型的应用Fluent6性能概述燃烧模拟的网格划分动力学与湍流化学相互作用因次分析燃烧模型应用广泛应用与均相和非均相燃烧过程模拟燃烧炉锅炉加热器燃气轮机火箭发动机求解内容流场流动特性及其混合特性温度场组分浓度场颗粒和污染物排放燃气炉内温度分布流量分布CO2质量分布燃烧模型概述Fluent6为燃烧模拟提供了一系列广泛的物理模型基于区域定义的体积和表面反应机制在不同的流动区域里反应可以开始或者停止在不同的流动区域可以有不同的反应机制Fluent6提供了极大的网格灵活性，Gambit2易于生成混合网格新增的特殊功能包括：材料数据库鲁棒性和精确求解反应模型离散相模型液滴/质点动力学非均相反应液化作用蒸发作用输运控制方程质量动量(湍流)能量化学组分燃烧模型预混合局部预混合非预混燃烧污染物模型辐射换热模型无线快速化学有限速度化学Fluent中的反应模型预混燃烧非预混燃烧部分预混燃烧无限快速化学预混燃烧模型（反应过程可变）非预混平衡模型（混合分数）部分预混模型（反应过程可变+混合分数）涡耗散模型有限速度化学非预混层流小火焰模型层流速度模型涡耗散概念（EDC）模型组分PDF输运模型Fluent6中其他模型表面燃烧离散相模型湍流颗粒扩散随机轨道模型颗粒云模型煤粉雾化模型辐射模型：DTRM，P-1，Rosseland和DiscreteOrdinates湍流模型：k-，RNGk-，Realizablek-，RSM，k-w，RSM和LES以及DES污染物排放模型:NOxwithreburnchemistryandsoot燃烧模拟中网格划分为了收敛和精确度，高质量的网格是关键低扭曲度（0.9任何一处）适当的宽高比（10）足够但不过度的分辨率平缓的微元体积变化（30%）边界正交在Fluent6中，非结构化网格技术使复杂的几何图形Gambit提供了快速而又强大的非结构化网格生成局部流动特性的求解混合网格（六面体，四面体，棱柱，锥体）悬挂节点适应非共形界面复杂的几何体——四面体网格燃烧器有几个复杂的部分在任何特定方向上流动并不均衡在声波入口梯度高使用四面体网格复杂的几何体——四面体网格四面体网格允许细网格上的小型进口孔更大的细胞在炉域。混合网格——锅炉在底部锥形部分有利于生成四面体网格顶部换热器平板适合生成六面体网格在拐角入口处将棱柱挤压形成三角型表面，模拟风箱——得到更好的射流穿透深度半自动六面体/混合网格Fluent6：任意网格接口网格的灵活性，基于部件的网格划分，以及模型建立网格自适应气相燃烧时空守恒方程（Navier-Stokes）质量（r）动量（rv）能量（rh）化学组分（rYk）守恒方程的一般形式根据焓来量化能量是有利的，其定义为()()()iiiiDStxxx变化率对流扩散源项()oTokkpkThYhcdT种类化学能热能化学动力学第K种物质的质量分数输运方程术语：化学组分，用Sk表示，反应如下：例子，CH4+2O2→CO2+2H2OS1=CH4S2=O2S3=CO2S4=H2Ov1’=1v2’=2v3’=0v4’=0v1”=0v2”=0v3”=1v4”=2()()()kkikkkiiiYYYDRtxxxrrr'11NNkkkkkkvSvS化学动力学计算出的反应速率正比于其反应产物浓度提高到各自的化学计量数。第K种物质的反应速率（对于单一反应）式中，A=指前因子Cj=体积摩尔浓度=rYj/MjMk=物质K的分子质量E=活化能R=通用气体常数=8313J/kg▪mol▪kβ=温度指数注意，对于总反应，，并且有可能不是整数。'*'1()kENvRTkkkkjjRMvvATeC'*'kkvv实际燃烧过程是湍流湍流最小长度尺度（称作Kolmogorov特征尺度），η∼L/Re3/4，其中L是燃烧器特征长度直接数值模拟（DNS）所需的网格节点数量（解决所有流动尺度）~(L/η）3=Re9/4例如，Re~104，网格节点数量~109DNS计算困难，并将一直存在这种困难火焰长度（m）速度（m/s）雷诺数燃气轮机燃烧器0.150250000点火52500000复燃室0.51002500000实用炉10105000000燃烧建模的必要性可以精确控制反应的Navier-Stokes方程，但是DNS控制受限湍流具有很大的时间和空间尺度（雷诺）时均模型设想可视化流动的长时间曝光照引进必须模拟的项（雷诺应力）化学现实的化学机制，上十种物质，可能有上百种反应，以及刚体动力学（大范围反应时间尺度）受数量有限的燃料所决定雷诺时均化方程Yk，Dk，Rk分别是第k种物质的质量分数，扩散系数和化学源项用平均梯度扩散模拟团湍流通量，，在k-ε模型中始终不变气相燃烧模型关注相比于雷诺应力（湍流）更加难以模拟kR//ikttkiuYScYxr()()()()kkikikkkiiiiYYuYuYDRtxxxxrrrr非稳态项（没有稳态流动）分子扩散平均速率对流湍流波动对流平均化学源项火焰中的湍流化学耦合Arrhenius反应速率高度非线性不能忽视湍流波动对化学产率的影响exp(/)jvkjjRATCERT()kkRRT湍流和化学交互作用示例：甲烷单步反应（A=2×1011，E=2×108）CH4+2O2→CO2+2H2ORCH4=1/2RO2=-RCO2=-1/2RH2O=-Aexp(-E/RT)[CH4]0.2[O2]0.3假设湍流在有一点的物质浓度始终不变，但是在整个流动过程中这点的温度在T=300K,T=1000K,T=1700K上各占三分之一的时间。T(K)30010001700R(kgm-3s-1)10-251105燃烧中的化学动力学模拟实际方法简化化学模型使用有限速度/涡耗散方法化学中的湍流和混合耦合使用混合碎片方法平衡化学PDF模型层流火焰模型进展变量Zimont模型混合碎片和进展变量部分预混合模型因次分析Reynolds数–ρ，U，L，μ分别是特征密度，速度，长度和动力粘性系数–高雷诺数将表现为湍流Damkohler数–ρad代表绝热火焰密度–Rslow代表在Tad和当量浓度下的最低反应速率–高Damkohler数（Da1）表示需要使用气相湍流燃烧模型IRe~ULnertialForceViscousForcer//mixingtimescale~~//chemicaltimescaleadslowadslowLUkDaRRrr因次分析马赫数Machnumber–马赫数Ma0.3（不可压缩）条件下，混合物分数模型有效Boltzmannumber–σ代表Stefan-Boltzman常数（5.672×10-8W/m2·K4）(假设此时对流强于导热，对流是主要的传热形式)–当Bo10时，才需要考虑辐射传热~UMac对流速度音速4(UcT)=~pinletadBoTr对流热流辐射热流燃烧模型I（气相燃烧模型）Fluent6中的气相燃烧模型涡耗散模型有限速度/涡耗散模型非预混燃烧模型预混燃烧（Zimont）模型部分预混燃烧模型层流火焰模型涡耗散概念（EDC）模型合成PDF输运模型其他模型：大涡模拟ISAT算法表面燃烧附录层流火焰面生成火焰面生成策略刚性化学涡耗散模型起源：Spalding1的“涡破碎”概念观测的预混火焰特性不能正确解释平均反映速率引进涡的生命周期，k/ε[t]有限混合反应Magnussen和Hjertager2将涡破碎推广到了非预混和部分预混燃烧模型1D.B.Spalding(1971),ChemicalEng.Sci.26:95.2B.F.MagnussenandB.H.Hjertager(1976),16thSymposium(Int.)onCombustion,p.719涡耗散模型估计平均反应率（物质k），假设化学反应比湍流混合化学物质和热量进入火焰的速度快得多(Da1)对于大部分反应堆，一个好的假设是使燃料迅速燃烧与大尺度（也叫作涡流，或者涡破碎（EBU）），湍流时间成比例，ε/k化学反应近似于球形原理（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，111NNkkmmkRkR有限速度/涡耗散模型FLUENT实现：物质i的源项是所有参与的反应的总源：在k反应中，经计算物质i的产生率或消耗率（Ri,k），比阿累尼乌斯速率（动力学）和涡破碎速率（湍流化学交互作用）小。,1ˆRNiiikkRMR有限速度/涡耗散模型阿累尼乌斯速率：-反应物和产物化学计量系数-k反应中反应物和产物j的速率指数βk-k反应的温度指数Ek-活化能R-通用气体常数Ak-指前因子Cj-j物质体积摩尔能读Kk-平衡常数',,',,,,,11,,,ˆ()()exp(/)jkjkkNNikikikfkjbkjjjfkkkfkbkkRvvkCkCATERTkKkk',,,ikikvv',,,ikik有限速度/涡耗散模型涡破碎速率：k-湍流动能ε-湍流耗散率mP,mR-物质质量分数A-反应物Magnussen常数，4.0B-产物Magnussen常数，0.5M-分子量(R),(P)-反应物，产物()(),,,()',,',(),,,min(,)()RPikikikRRikikiRkRppPikikiNjkjjRRRmRvMAkvMmRvMABkvMrr激活有限速度/涡耗散模型有限速度/涡耗散模型优点：适用于非预混，部分预混，和预混燃烧简单物理基础，使用广泛缺点：当混合和运动时间标量大小相似（Da~1）时，模型失真考虑涡耗散概念或有限速度方法不能预测中间物质和分离效果温度的超量预测；利用cp多项式改正不能逼真地模拟运动细节现象，比如点燃，熄灭，以及低Da流动不能严格解释底层脉动流场A和B是数量级扩展常数；需要校准整合解决方案非预混模型：背景起源：Burke&Schumann3,Bilger4根据以下假设物质扩散系数相等联合刘易斯数低马赫数流调节组分质量分数和焓的输运方程，使其成为相同的水平对流—扩散方程。按照守恒标量变量，可以用偏微分方程求解所有的这些方程3S.P.BurkeandT.E.W.Schumann(1928)DiffusionFlames.Indust.Eng.Chem.20,p.998.4R.W.Bilger(1976)TheStructureofDiffusionFlames.Combust.Sci.Technol.13,p.155.非预混模型：背景假设在相同的扩散率，单一燃料以及氧化剂流情况下，很容易从物质方程中推导出平均混合分数输运方程。相同扩散率的假设是合理的（除了H2），因为在高Re数时，湍流扩散远强于层流扩散，湍流涡旋对流组分（或多或少）同样的。混合分数方程很有用，因为它没有反应源项，反应源项带来的相关困难是原子元素在化学反应中守恒。()()()iiiifffDtxxxrrr非预混模型：背景混合分数，用f表示，是源于燃料流的元素质量分数混合质量分数直接和物质质量分数，混合密度以及混合温度相关使用概率密度函数（PDF）把瞬间数据转变成为时间平均数据需要混合分数的方差（以本地湍流参数为基础）非预混模型:PDFs在这种方法中，用单一变量（叫做混合分数）来描述化学过程化学平衡近似法，需要计算中间物质。由于假设化学反应迅速，不需要详细的动力学数据。非预混模型:PDFs平衡状态关系描述混合分数和热化学属性的瞬时关系。湍流反应