ANSYS17.0燃烧反应模拟

© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201611©2015ANSYS,Inc.January14,2016ANSYSConfidentialANSYS 17.0燃烧反应模拟© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20162•基本概念•反应流模型•快速化学反应模型•有限速率化学反应模型•表面反应/污染物•固体/液体燃烧概要© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20163基本定义•燃烧反应–燃料和氧化剂发生放热化学反应、放出大量热并使得化学成分的种类发生变化的过程–由燃烧支配的流动构成反应流动的主要部分•化学计量学–一定量燃料要充分燃烧需要充足的氧化剂–CH4+ O2CO2+ H2O•燃料与空气的化学计量比–燃料数量与空气数量的化学计量比•额外空气–提供的空气量超过化学计量结果所需的量•等值比()–燃料‐空气的真实比值与燃料‐空气化学计量比的比值– 1 富油燃烧;  1 贫油燃烧CH4+ 2O2CO2+ 2H2O© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20164燃烧类型Air Hole OpeningCloseOpenDiffusionPremixed扩散燃烧•燃料与氧化剂分开供给•反应物从不同方向进入火焰层燃烧预混燃烧•燃料和氧气在点火前已经进行充分混合•冷态反应物进入到热态生成物中进行燃烧•火焰传播的速度与火焰内部结构有关燃料扩散燃烧氧化剂预混燃烧燃料+      氧化剂© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20165预混燃烧火焰预加热区域未燃物充分混合–未燃物温度–未燃物密度燃烧产物充分混合–绝热火焰温度–燃烧产物密度反应区域热量+ 辐射扩散温度燃料质量分数氧气质量分数产物的质量分数TubTad© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20166层流火焰速度层流火焰速度(SL)静止火焰空气燃料混合物USLUࡿ࢒ൌࢁ࢙࢏࢔ࢻ•火焰速度的获取看起来很简单，未必…•不同的热量释放速率和流场的不均匀性将导致火焰形状拉伸(改变火焰中不同区域的分布规律)–其他影响火焰速度的复杂因素© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20167爆炸和爆燃•爆燃–反应前锋为亚音速; 压力波以音速运行–在反应前锋到达之前反应前锋后的扰动即可传播到反应前锋之前并影响为燃烧物•爆炸–反应前锋和激波都以超声速运动–气体被激波压缩，温度提高上千倍；反应物在激波后很小的区域内迅速燃烧完未燃油气混合物燃烧产物未燃油气混合物燃烧产物压力波反应前锋爆炸爆燃激波© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20168液体蒸发和燃烧•应用–IC 引擎; 燃气轮机; 燃油锅炉, –洗涤器等•流体运动和表面张力导致液体破裂–不稳定液膜拉长水珠•蒸发–液珠蒸发并沸腾•在气相条件下发生反应IC 引擎燃气轮机燃烧室© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 20169多项反应(固体)•应用–锅炉中煤粉的燃烧; 水泥窑; 燃烧颗粒物形成等•颗粒被加热并挥发处热量–挥发并在气相条件下燃烧•保持固体形态并经历多项反应–反应气体分子通过对流或扩散转移到固体表面–吸附在固体表面–在固体表面进行表面反应–D反应产物解附–反应产物通过对流或扩散传播到附近煤空气灰烬液化气燃煤锅炉© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201610其他反应•化学蒸汽沉积–涉及气体和表面反应物•超高声速气流空气分子理解–涉及气体和离子反应•SCR中排气处理–涉及催化反应•碳罐收集碳氢化合物–与吸附和解附反应有关•泡沫的形成–涉及产生二氧化碳的液‐液反应•煅烧反应•液‐液反应CVD 图片来源于H. O. Pierson “Handbook of Chemical Vapor Deposition”航天体再入催化转化器碳罐© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201611•引擎: 燃气轮机, IC, …•燃烧器: 熔炉, 锅炉, 燃气发生器, …•安全保护: 火灾, 爆炸, 扩散, …•表面化学反应: 催化剂, CVD, …•材料: 符合材料, 高能聚合物, …•还有更多…我们想要模拟什么?Fire & Fire protectionGas turbine combustorsIC Engines© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201612燃烧模型概述输运公式•质量•动量+ 湍流•能量•化学种类反应模型•离散涡模型•预混模型•非预混模型•部分预混模型反应模型•层流小火焰模型•层流有限速率模型•EDC•复合物PDFInfinitely fast chemistryDa 1Finite rate chemistryDa~ 1离散项模型(固/液模型)•液珠/颗粒动力学•DEM 碰撞•蒸发•挥发•多项反应湍流模型•LES, DES, SAS….•RANS: k‐e, k‐w, RSM…..污染物模型•NOx, Soot, SOx辐射模型•P1, DO (Gray/Non‐gray)真实气体影响•SRK, ARK, RK, PR© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201613Fluent中的燃烧模型预混燃烧模型非预混燃烧模型部分预混燃烧模型快速化学反应离散涡模型(分类运输)预混燃烧模型C公式G 公式ECFM非预混模型均衡模型混合物分数部分预混模型多变反应过程+混合物分数有限速率化学反应层流有限速率模型离散涡概念(EDC)模型综合PDF 输运模型层流小火焰模型(稳态/非稳态)流场结构化学反应© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201614•简介•模拟湍流反应的挑战•湍流反应模型–离散涡模型–渐进均衡模型–非预混均衡模型–小火焰–预混–部分预混–小火焰多种生成概要: part‐II© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201615湍流反应流模拟•大多数工程中的反应问题都是湍流问题–IC 引擎, 燃气轮机, 锅炉, 熔炉, 火箭发动机…..•方法–直接数值解法(DNS)•考虑到反应时间和反应尺度问题，目前大多数解法均难以精确模拟•DNS 解法目前仅限于实验室探究燃烧问题–RANS法•工程实践中经常采用的方法–大涡模拟(LES) •介于DNS 和RANS之间–混合模型(DES, SAS or ELES)© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201616应用实例煤油灯火焰层流小火焰模型(JetSurF1.0)甲烷燃烧1层流小火焰模型(GRI Mech 3.0)玻璃熔炉燃烧(EBU model)Hamworthy 燃烧公司. 预混燃烧器加热过程天然气燃烧模型(均衡非预混模型)氢氧燃烧(RCM‐3)(均衡非预混火焰模型)环形燃烧室模型2(部分预混模型)1.Courtesy of Lamar University, Beaumont, TX, 2011 (Experimental image from University of Alberta, Flare research project, final report, 2004)2.Courtesy of Siemens‐Westinghouse© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201617•简介•详细反应机理•详细化学反应模型–层流有限速率–离散涡概念–合成PDF 输运•化学反应加速工具–In‐situ 适应性表格–化学反应的汇聚–维度减少概要: part‐III© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201618•三种类型–详细的, 框架和缩略式的反应机理•详细反应机理–反应物种类庞大–基原反应种类庞大•框架式反应机理–缩减后的详细反应机理–删除了不重要的反应物和反应过程•缩略式反应机理–在上述两种反应机理上更进一步细化–准定常状态假设(QSSA)详细反应机理的类型计算经济性求解精确性低高© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201619CHEMKIN 格式Fluent 可导入CHEMKIN 反应机理文件•基元反应机理的简要描述–反应机理，反应物和反应过程的简要信息•导入CHEMKIN 文件时将会自动进行计算单位的转换•需要单独的热动力学数据库支持示例文件指前因子温度因子激活能量© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201620•详细的化学反应计算需要消耗大量时间和计算资源•化学反应加速工具可以加速这一过程–In situ 适应性表格(ISAT)–化学反应集聚–维度削减化学反应加速工具© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201621应用实例Sandia 燃烧合成PDF 输运(16 种反应物框架反应机理)固体火箭燃烧室(RCM‐3)层流有限速率模型(8  反应物and 20 反应)压力和放热变化（IC 引擎）层流有限速率模型(ERC n‐庚烷反应机理: 29 反应物& 52 反应)Cheng & FarmerFluent Sandia 燃烧EDC 模型(16 反应物框架反应机理)―Fluent•Expt.Temperature (K)x/d空气在超过音速下离散(M ~ 40)层流有限速率模型(Gupta 反应机理: 11 反应物& 20 反应)© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201622应用范围•熔炉, 锅炉, 焚化炉(废物燃烧), 燃气发生器(生成合成气)固体燃料燃烧水分灰烬挥发烧焦干燥液化/ 高温分解气化/燃烧残留物H2, CH4, CO, CO2, H2O, Tar...水蒸汽© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201623应用举例: 科斯塔炉主进口次级进口第三级进口加压火焰空气(BOFA) 入口空气进口边界© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201624主空气进口•流速= 305.2 ton/h•温度= 75oC次级+ 第三级空气进口•总流量= 574.8 ton/h•次级和第三级流量分布= 15% ‐85%•温度= 377oC边界空气进口•流速= 50 ton/h•温度= 377oCBOFA 空气进口•流速= 257•温度= 377oC壁面•温度= 452 K•辐射系数= 0.6煤•离散项•供给速率= 110.2 ton/h •温度= 75oC近似分析(干燥重量百分比)•灰烬= 13.83•挥发= 33.07•固定碳= 53.10最终分析(干燥重量百分比%)•C碳= 70.91•H氢= 4.52•N氮= 1.47•S硫= 1.39•O氧= 7.89总热值•28.9 MJ/kg边界条件© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201625案例气‐油•Inlet 进口复合物–O223.3%–N276.7%氧‐油•干‐循环–O223.3%–CO276.7%•湿‐循环–O222.3%–H2O 13.6%–CO264.1%模型•湍流模型–Standard k‐•反应模型–离散涡–2 步反应机理•辐射模型: DO–吸收系数设置为WSGGM–包括粒子‐辐射相互作用求解设置© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201626温度场空气‐燃烧Toutlet= 1458K干‐循环Toutlet= 1467K湿‐循环Toutlet= 1421K© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 201627均包括液体气化和燃烧两个过程应用案例•内燃机, 燃气轮机, 液体火箭发动机池火液体燃料燃烧液体燃料喷射燃烧池火© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 2016281©2015ANSYS,Inc.January14,2016ANSYSConfidentialANSYS Forte 17.0 –最新改进© 2011 ANSYS, Inc.March 17, 2