FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟[1].ppt

FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟[1].ppt

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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中中组分输运及化学反应组分输运及化学反应（燃烧）模拟燃烧）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u应用u燃烧模拟简介u化学动力学u气相燃烧模型u稀疏相燃烧模型u污染物排放模拟u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u广泛应用与均相和非均相燃烧过程模拟l燃烧炉l锅炉l加热器l燃气轮机l火箭发动机u求解内容l流场流动特性及其混合特性l温度场l组分浓度场l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u气相燃烧l有限速率模型（Magnussenmodel）l守恒标量的PDF模型（一个或两个混合分数）l层流火焰面（小火焰）模型（V5）lZimontmodel（V5）u稀疏相模型n湍流颗粒弥散s随机轨道模型（Stochastictracking）s颗粒云团模型（Particlecloudmodel）（V5）n粉煤与喷油燃烧子模型u辐射模型:

DTRM,P-1,Rosseland和DiscreteOrdinates（V5）u湍流模型:

k-,RNGk-,RSM,Realizablek-（V5）andLES（V5）u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u难点与挑战l多数实际的燃烧过程是湍流l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。

l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）u实际处理方法l简化化学反应机理n有限速率燃烧模型l考虑湍流及其混合、弱化反应化学n混合分数模型s平衡化学的PDF模型s层流火焰面模型n进展变量模型sZimont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u用总包机理反应描述化学反应过程.u求解化学组分输运方程.l求解当地时间平均的各个组分的质量分数,mj.u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:

uRjk（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。

.u混合速率与涡旋寿命相关,k/.l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。

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u有限速率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。

u非预混燃烧模型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u预混燃烧模型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u部分预混燃烧模型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u要求:

l给出组分及其物性l给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据uFLUENTV5在mixturematerialdatabase里面提供了数据u对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息.u如果用户需要给定个性化机理，则:

l生成新的混合物.l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u优点:

l可以应用于nonpremixed,partiallypremixed和premixedcombustionl简单、直观l应用广泛u缺点:

l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）.l没有严格考虑湍流化学反应之间的相互作用问题l不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响.l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u只适应用于非预混（扩散）火焰燃烧u假定化学反应过程受混合速率控制l满足局部化学平衡.l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.u化学反应机理不明确.l用化学平衡计算来处理化学反应（prePDF）.u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.u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u混合分数,f,写成元素的质量分数形式:

l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。

u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.u混合物分数是守恒标量（conservedscalar）:

l组分输运方程中没有化学反应源项.燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统uFuel/air扩散火焰:

u多氧化剂入口的扩散火焰:

u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u化学反应很快到达平衡.u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uFluctuatingmixturefractioniscompletelydefinedbyitsprobabilitydensityfunction（PDF）.up（V）,thePDF,representsfractionofsamplingtimewhenvariable,V,takesavaluebetweenVandV+V.up（f）canbeusedtocomputetime-averagedvaluesofvariablesthatdependonthemixturefraction,f:

lSpeciesmolefractionslTemperature,density燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质PDFModelFlexibilityu非绝热系统:

lInrealproblems,withheatlossorgain,localthermo-chemicalstatemustberelatedtomixturefraction,f,andenthalpy,h.lAveragequantitiesnowevaluatedasafunctionofmixturefraction,enthalpy（normalizedheatloss/gain）,andthePDF,p（f）.u第二守恒标量:

lFLUENT用第二守恒标量可以模拟:

nTwofuelstreamswithdifferentcompositionsandsingleoxidizerstream（visaversa）nNonreactingstreaminadditiontoafuelandanoxidizernCo-firingagaseousfuelwithanothergaseous,liquid,orcoalfuelnFiringsinglecoalwithtwooff-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u优点:

l可以计算中间组分.l考虑分裂影响.l考虑湍流化学反应之间作用.l无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量l性能好，经济u缺点:

l系统必须满足（靠近）局部平衡.l不能用于可压速或非湍流流动.l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u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。

l对于混合分数PDF模型（绝热）,热化学状态只是f的函数lc与当地应变率有关u把混合分数PDF扩展到模拟中度化学非平衡燃烧模拟中u用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰,对撞扩散火焰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）u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u只适合绝热系统（FLUENTV5）uImportstrainedflamecalculationslprePDForSandiasOPPDIFcodeuSingleormultipleflameletslSingle:

userspecifiedstrain,alMultiple:

strainedflameletlibrary,0aaextinctionna=0equilibriumna=aextinctionisthemaximumstrainratebeforeflameextinguishesuPossibletomodellocalextinctionpockets（e.g.liftedflames）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u用单个过程变量来模拟热化学过程,u平均反应速率,u湍流火焰传播速度,Ut,根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑l预混燃料当量比l湍流引起的火焰前锋皱折和增厚l湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄l分子扩散u适合绝热燃烧,u非绝热燃烧必须求解焓方程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u在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、气泡的轨道.l并与连续相（气相）进行热、质量和动量的耦合求解。

u稀疏相体积分数必须10%l质量分数可以比较高l不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎u模拟湍流弥撒l随机轨道（Stochastictracking）l颗粒云团模型（Particlecloud（V5））uRosin-Rammlerorlinearsizedistributionu非定常流动中的颗粒轨道（V5）u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uMonte-Carlo方法模拟湍流颗粒弥散（discreterandomwalks）u颗粒运动计算中考虑气体的平均速度及随机湍流脉动速度的影响。

u每个轨道包含了一群具有相同特性的颗粒，如相同的初始直径，密度等.u考虑湍流弥散尤为重要l更复合真实物理过程，但计算量更大。

l可以通过光滑源项、消除与气相的耦合来强化计算稳定性；颗粒弥散:

随机轨道模型Coalparticletracksinanindustrialboiler燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质颗粒弥散:

颗粒云团模型u用平均速度决定颗粒的平均轨道u假定该平均轨道为3D多变量的Gaussian分布，计算颗粒偏离的范围（3倍标准偏差）uRigorouslyaccountsforinertialanddriftvelocitiesuAparticlecloudisrequiredforeachparticletype（e.g.initiald,retc.）uParticlescanescape,reflectortrap（releasevolatiles）atwallsuEliminates（singlecloud）orreduces（fewclouds）stochastictrackinglDecreasedcomputationalexpenselIncreasedstabilitysincedistributedsourcetermsingasphaseBUTdecreasedaccuracysincelGasphaseproperties（e.g.temperature）areaveragedwithincloudlPoorpredictionoflargerecirculationzones燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质非定常流动的颗粒轨道模拟uEachparticleadvancedintimealongwiththeflowuForcoupledflowsusingimplicittimestepping,sub-iterationsfortheparticletrackingareperformedwithineachtimestepuFornon-coupledflowsorcoupledflowswithexplicittimestepping,particlesareadvancedattheendofeachtimestep燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质煤/油燃烧模型u变化模型可以模拟煤或油燃烧llDroplet油燃烧模拟lCombustingparticle煤燃烧模拟uSeveraldevolatilizationandcharburnoutmodelsprovided.lNote:

Thesemodelscontroltherateofevolutionofthefueloff-gasfromcoal/oilparticles.Reactionsinthegas（continuous）phasearemodeledwiththePDForfiniteratecombustionmodel.燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质NOxModelsuNOx中含量最多的是一氧化氮（NO）.l引起烟雾l引起酸雨l导致臭氧损耗uNOx排放有三个机理:

l热机理（ThermalNox）-Zeldovichmechanism（氧化空气中的N）n高温燃烧最明显l快速机理（PromptNOx）-DeSoete,Williams提出的经验机理.n通常该机理对Nox排放量影响较小n富燃燃烧区域该机理有明显作用l燃料NOx机理-DeSoete,Williams等人提出的经验机理.n在煤燃烧中，燃料中含N高，并且燃烧温度不是很高时起作用。

uNOx再燃（V5）l在燃料富足的燃烧区域，NO会与碳氢化合物反应，使得NO减少燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质烟（Soot）模型u两种烟模型:

lOne-step模型（KhanandGreeves）n1个输运方程，烟质量分数lTwo-Step模型（Tesner）nTransportequationsforradicalnucleiandsootmassfractionconcentrationsuSoot生成采用经验公式其中,C,pf,和F是模型常数,燃料分压力和当量比。

u采用Magnussen模型计算Soot燃烧（消耗）uSoot对辐射的影响l激活Soot面板上的Soot-Radiation选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燃烧模拟步骤及求解策略u打开求解器（打开求解器（2D或或3D）l检查物理模型适用性l网格分辨率需求（resolveshearlayers）l求解参数、收敛条件设置u边界条件边界条件l燃烧经常对进口边界条件十分敏感n正确的进口标量和速度的分布l很难估计壁面热条件；尽可能优先给定边界温度，很难给定对流换热或者辐射换热量u初始条件初始条件l稳态解跟初始值无关，但给的初始值不好，由于各个方程之间不和谐和输运方程的非线性，导致解分歧或发散不收敛。

先求解冷态流动、接着气体燃烧、颗粒燃烧、再考虑辐射；l对于强旋流动，渐渐增加旋流速度；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步骤及求解策略

（2）u低松弛因子低松弛因子l松弛因子改变对结果影响是高度非线性的n采用混合分数PDF模型时，密度采用低松弛（0.5）n考虑浮力流动中，速度采用低松弛因子n高速流动中压力采用低松弛因子l一旦解较为稳定,尽可能让松弛因子提高到系统默认值（温度，0.9；P是1；旋流速度，组分（混合分数）也是1或接近1。

u离散化离散化l开始用一阶精度,收敛后用二阶精度提高求解精度l对于三角形或四面体网格，二级精度离散尤为关键u离散相模拟离散相模拟增加稳定性,l增加随机轨道数目（或者采用颗粒云团模型）l低松弛因子，增加每次耦合计算中颗粒相计算后气相叠代次数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步骤及求解策略（3）uMagnussen模型模型l默认设置finiterate/eddy-dissipation（Arrhenius/Magnussen）n对于非预混（扩散）火焰，关掉有限速率模型n对于预混火焰，应该采用Arrhenius项，使得反应物不至于过早燃烧。

l需要高温点火，保证反应进行（initialization/patch）l考虑比热Cp随温度变化，以便计算的温度不至于过高而不切合实际。

u混合分数混合分数PDF模型模型l如果符合该模型假设，可以选用该模型l建表中要保证有足够多的点以便保证插值精度，同时要不影响计算时间。

l采用beta函数PDF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步骤及求解策略（4）u湍流湍流l开始用标准k-模型l收敛后转变为RNGk-,Realizablek-或RSM，可以与实验结果比较、也可以比较结果受湍流模型的影响情况u收敛判断收敛判断l一般变量残差小于10-3，温度、P-1和组分的残差要小于10-6lThemassandenergyfluxreportsmustbalancel监视和检查所关心的变量（如：

出口平均温度）l检查变量的等值线图是否光滑、合理及稳定不变。

燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质小节uFLUENTV5用于模拟燃烧的优点在于：

l一组较好的燃烧模型l方便、易用n数据库包含了机理与物性参数l网格与求解方案可以自由调节uFLUENT可以求解多数的工程实际燃烧问题.u留意选择的物理模型是否合适于实际需要模拟的燃烧过程.