FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟

©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质TemperatureinagasfurnaceFLUENT中组分输运及化学反应（燃烧）模拟热科学与能源工程系2003年10月©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质概要应用燃烧模拟简介化学动力学气相燃烧模型稀疏相燃烧模型污染物排放模拟燃烧数值模拟步骤介绍©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质燃烧模拟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TemperatureinagasfurnaceCO2massfractionStreamfunction©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质燃烧模型概要稀疏相模型液滴/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©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质气相燃烧有限速率模型(Magnussenmodel)守恒标量的PDF模型(一个或两个混合分数)层流火焰面（小火焰）模型(V5)Zimontmodel(V5)稀疏相模型湍流颗粒弥散随机轨道模型（Stochastictracking）颗粒云团模型（Particlecloudmodel）(V5)粉煤与喷油燃烧子模型辐射模型:DTRM,P-1,Rosseland和DiscreteOrdinates(V5)湍流模型:k-,RNGk-,RSM,Realizablek-(V5)andLES(V5)污染物排放模型:NOxwithreburnchemistry(V5)andsootFLUENT提供的燃烧模型©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质模拟燃烧过程的化学反应动力学难点与挑战多数实际的燃烧过程是湍流化学反应速率高度非线性;湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重要。真实化学反应机理包含数十个组分,数百个基元反应，并且方程组极具刚性(基元化学反应时间尺度相差大)实际处理方法简化化学反应机理有限速率燃烧模型考虑湍流及其混合、弱化反应化学混合分数模型平衡化学的PDF模型层流火焰面模型进展变量模型Zimont模型©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质有限速率模型用总包机理反应描述化学反应过程.求解化学组分输运方程.求解当地时间平均的各个组分的质量分数,mj.组分j的源项(产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应速率:Rjk(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。.混合速率与涡旋寿命相关,k/.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©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质Fluent燃烧模型有限速率模型求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定义。非预混燃烧模型该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者两个守恒标量（混合分数）的输运方程预混燃烧模型模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰前锋分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置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©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质有限化学反应速率模型设置要求:给出组分及其物性给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据FLUENTV5在mixturematerialdatabase里面提供了数据对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息.如果用户需要给定个性化机理，则:生成新的混合物.改变已有混合物的物性/化学反应.©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质有限速率模型小节优点:可以应用于nonpremixed,partiallypremixed和premixedcombustion简单、直观应用广泛缺点:不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应(要求Da1).没有严格考虑湍流－化学反应之间的相互作用问题不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响.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。.©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质守恒标量(混合物分数)模型:PDF模型只适应用于非预混(扩散)火焰燃烧假定化学反应过程受混合速率控制满足局部化学平衡.控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程度.化学反应机理不明确.用化学平衡计算来处理化学反应(prePDF).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.可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质混合分数定义混合分数,f,写成元素的质量分数形式:其中，Zk是元素k的质量分数；下标F和O表示燃料和氧化剂进口流处的值。对于简单的fuel/oxidizer系统,混合物分数代表计算控制体里的燃料质量分数.混合物分数是守恒标量（conservedscalar）:组分输运方程中没有化学反应源项.OkFkOkkZZZZf,,,©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统Fuel/air扩散火焰:多氧化剂入口的扩散火焰:多燃料进口的扩散火焰:60%CH440%CO21%O279%N2f=1f=035%O265%N260%CH440%CO35%O265%N2f=1f=0f=060%CH420%CO10%C3H810%CO221%O279%N2f=1f=0f=160%CH420%CO10%C3H810%CO2©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质系统化学平衡假设化学反应很快到达平衡.可以考虑中间组分.©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质PDF模拟Turbulence-Chemistry相互作用Fluctuatingmixturefractioniscompletelydefinedbyitsprobabilitydensityfunction(PDF).p(V),thePDF,representsfractionofsamplingtimewhenvariable,V,takesavaluebetweenVandV+V.p(f)canbeusedtocomputetime-averagedvaluesofvariablesthatdependonthemixturefraction,f:SpeciesmolefractionsTemperature,densitypVVTTii()lim1iipffdf()()01©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质PDFModelFlexibility非绝热系统:Inrealproblems,withheatlossorgain,localthermo-chemicalstatemustberelatedtomixturefraction,f,andenthalpy,h.Averagequantitiesnowevaluatedasafunctionofmixturefraction,enthalpy(normalizedheatloss/gain),andthePDF,p(f).第二守恒标量:FLUENT用第二守恒标量可以模拟:Twofuelstreamswithdifferentcompositionsandsingleoxidizerstream(visaversa)NonreactingstreaminadditiontoafuelandanoxidizerCo-firingagaseousfuelwithanothergaseous,liquid,orcoalfuelFiringsinglecoalwithtwooff-gases(volatilesandcharburnoutproducts)trackedseparately©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质混合分数/PDF模型小节优点:可以计算中间组分.考虑分裂影响.考虑湍流－化学反应之间作用.无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量性能好，经济缺点:系统必须满足（靠近）局部平衡.不能用于可压速或非湍流流动.不能用于预混燃烧.©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质层流火焰面模型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。对于混合分数PDF模型(绝热),热－化学状态只是f的函数c与当地应变率有关把混合分数PDF扩展到模拟中度化学非平衡燃烧模拟中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),(cfii©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质层流火焰面模型(2)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，Pf(f)用Beta函数，Pc(c)用delta函数只适合绝热系统（FLUENTV5）ImportstrainedflamecalculationsprePDForSandia’sOPPDIFcodeSingleormultipleflameletsSingle:userspecifiedstrain,aMultiple:strainedflameletlibrary,0aaextinctiona=0equilibriuma=aextinctionisthemaximumstrainratebeforeflameextinguishesPossibletomodellocalextinctionpockets(e.g.liftedflames)100)()(),(dfdPfPffiicccc©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质预混燃烧的Zimont模型用单个过程变量来模拟热－化学过程,平均反应速率,湍流火焰传播速度,Ut,根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑预混燃料当量比湍流引起的火焰前锋皱折和增厚湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄分子扩散适合绝热燃烧,非绝热燃烧必须求解焓方程tcxucxSccxRciiittic01RUccunburnttpadpppYYc/adunburntTcTcT)1(©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质稀疏相模型在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、气泡的轨道.并与连续相（气相）进行热、质量和动量的耦合求解。稀疏相体积分数必须10%质量分数可以比较高不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎模拟湍流弥撒随机轨道（Stochastictracking）颗粒云团模型（Particlecloud(V5)）Rosin-Rammlerorlinearsizedistribution非定常流动中的颗粒轨道(V5)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©燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质Monte-Carlo方法模拟湍流