fluent教程第五章燃烧模拟课件

,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,title style,燃烧,热科学与能源工程系,2003,年10月,计算流体与传热传质,Temperature in a gas furnace,FLUENT,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,Temperature in a gas furnaceFL,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,概要应用,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,Temperature in a gas furnace,CO,2,mass fraction,Stream function,燃烧模拟广泛应用与均相和非均相燃烧过程模拟Temperatu,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,燃烧模型概要稀疏相模型液滴/颗粒动力学输运控制方程质量燃烧模,气相燃烧,有限速率模型(,Magnussen model),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,),Zimont model(,V5,),稀疏相模型,湍流颗粒弥散,随机轨道模型（,Stochastic tracking）,颗粒云团模型（,Particle cloud model）(,V5,),粉煤与喷油燃烧子模型,辐射模型:,DTRM,P-1,Rosseland,和,Discrete Ordinates(,V5,),湍流模型:,k-,RNG,k-,RSM,Realizable,k-,(,V5,)and LES(,V5,),污染物排放模型:,NO,x,with reburn chemistry(,V5,)and soot,FLUENT,提供的燃烧模型,气相燃烧FLUENT提供的燃烧模型,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,模拟燃烧过程的化学反应动力学难点与挑战,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,m,j,.,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,:,R,jk,(,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。,有限速率模型用总包机理反应描述化学反应过程.,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,Fluent燃烧模型有限速率模型,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,FLUENT V5,在,mixture material database,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,.,有限化学反应速率模型设置要求:,有限速率模型小节,优点:,可以应用于,nonpremixed,partially premixed,和,premixed combustion,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,Da 1).,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。.,有限速率模型小节优点:,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,守恒标量(混合物分数)模型:PDF 模型只适应用于非预,混合分数定义,混合分数,f,写成元素的质量分数形式:,其中，,Z,k,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（,conserved scalar）:,组分输运方程中没有化学反应源项,.,混合分数定义混合分数,f,写成元素的质量分数形式:,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%,CH,4,40%CO,21%,O,2,79%N,2,f=1,f=0,35%,O,2,65%N,2,60%,CH,4,40%CO,35%,O,2,65%N,2,f=1,f=0,f=0,60%,CH,4,20%CO 10%C,3,H,8,10%CO,2,21%,O,2,79%N,2,f=1,f=0,f=1,60%,CH,4,20%CO 10%C,3,H,8,10%CO,2,可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统Fuel/air 扩散火焰,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.,系统化学平衡假设化学反应很快到达平衡.,PDF,模拟,Turbulence-Chemistry,相互作用,Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function(PDF).,p,(,V,),the PDF,represents fraction of sampling time when variable,V,takes a value between,V,and,V,+,V,.,p,(,f,)can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction,f,:,Species mole fractions,Temperature,density,PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用,PDF Model Flexibility,非绝热系统:,In real problems,with heat loss or gain,local thermo-chemical state must be related to mixture fraction,f,and enthalpy,h,.,Average quantities now evaluated as a function of mixture fraction,enthalpy(normalized heat loss/gain),and the PDF,p,(,f,).,第二守恒标量:,FLUENT,用第二守恒标量可以模拟,:,Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream(visa versa),Nonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizer,Co-firing a gaseous fuel with another gaseous,liquid,or coal fuel,Firing single coal with two off-gases(volatiles and char burnout products)tracked separately,PDF Model Flexibility非绝热系统:,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.,混合分数/PDF模型小节优点:,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,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,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：,P,f,(f)P,c,(,c,),其中，,P,f,(f),用,Beta,函数，,P,c,(,c,),用,delta,函数,只适合绝热系统（,FLUENT,V5）,Import strained flame calculations,prePDF or Sandias OPPDIF code,Single or multiple flamelets,Single:user specified strain,a,Multiple:strained flamelet library,0 a a,extinction,a=0,equilibrium,a=a,extinction,is the maximum strain rate before flame extinguishes,Possible to model local extinction pockets(e.g.lifted flames),层流火焰面模型(2)用指定概率密度函数（PDF）P(f,c,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,U,t,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,预混燃烧的Zimont模型用单个过程变量来模拟热化学过程,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