第三章fluent仿真有限速率燃燒模型

1、三、有限速率燃燒模型三、有限速率燃燒模型 層流有限速率模型 有限速率/渦耗散模型（EDM） 渦耗散模型（EDM） 渦耗散概念模型（EDC）有限速率模型概述有限速率模型概述 用總包機理反應描述化學反應過程. 求解化學組分輸運方程，反應速率以源項形式出現(xiàn)： 組分 j的源項 (產(chǎn)生或消耗）是機理中所有k個反應的凈反應速率 : Rjk ：第k 個化學反應生成或消耗的j 組分。（根據(jù) Arrhenius速率公式、漩渦耗散等理論進行計算）. RRjjkk1、層流有限速率模型、層流有限速率模型 特點：使用Arrhenius公式計算反應速率作為源項，忽略湍流脈動的影響。 使用范圍：反應緩慢、湍流脈動較小的燃燒

2、。E:反應活化能CA、CB：反應物濃度a、b：化學反應計量數(shù)K0：指前因子Arrhenius化學動力學的高度非線性性，模擬結果一般不精確！三種特殊情況三種特殊情況 1、有逆向反應 ,1,1, ,rjNjrjrbrjNjrjrfriririrrCkCkR反應速率公式,ri ,rirfk,rbk,rj ,rj反應r中反應物i的化學計量數(shù)反應r中生成物i的化學計量數(shù)反應r的正向速率常數(shù)反應r中反應物i的化學計量數(shù)反應r中每種反應物或生成物j的正向反應速度指數(shù)反應r中每種反應物或生成物j的逆向反應速度指數(shù)三種特殊情況三種特殊情況 2、第三體的影響 3、壓力獨立反應 反應發(fā)生在高壓和低壓限制之間，不僅僅

3、依賴于溫度。 ,1,1, ,rjNjrjrbrjNjrjrfriririrrCkCkRrNjjrjC,FLUENT相關設置相關設置1、選擇模型、選擇模型2、定義材料、定義材料FLUENT相關設置相關設置3、定義化學反應、定義化學反應特殊情況指前因子和活化能化學反應式使用不多，不做舉例介紹使用不多，不做舉例介紹FLUENT相關設置相關設置4、設置點火區(qū)域、設置點火區(qū)域Solve-initiaze-patch2、渦耗散模型、渦耗散模型 快速燃燒假設：化學反應速率與湍流混合（擴散）速率相比無窮快，即湍流燃燒過程由燃料和氧化劑的混合過程控制。 整體反應速率由湍流混合控制； Damkohiler數(shù)：渦耗

4、散模型概述渦耗散模型概述 非預混火焰中：湍流“緩慢地”通過對流作用，使燃料和氧化劑進入反應區(qū)，在反應區(qū)內(nèi)快速地燃燒； 非預混火焰中：湍流作用使冷的反應物和熱的生成物進入反應區(qū)，在反應區(qū)快速地燃燒； 燃料和氧化劑進入反應區(qū)快速地發(fā)生反應，燃燒成為混合限制的，即擴散控制的燃燒； 忽略了復雜、未知的化學反應動力學速率；渦耗散模型概述渦耗散模型概述 假設：認為化學反應速率取決于未燃氣體微團在湍流作用下破碎成更小微團的速率； 公式： 特征：突出了湍流混合對燃燒速率的控制作用； 缺點：未考慮分子輸運和化學動力學因素的影響，過于粗糙。RwrRRiwririMYkAMR,min渦耗散模型理論渦耗散模型理論 Y

5、P：產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù) YR：反應物的質(zhì)量分數(shù) A、B：經(jīng)驗常數(shù)，A=4.0，B=0.5； jwrjNjppiwririMYkABMR, ,反應速率計算（取較小者）反應r中反應物i的化學計量數(shù)反應r中生成物i的化學計量數(shù),ri ,ri控制反應速率渦耗散模型理論渦耗散模型理論 反應速率由大渦混合時間尺度 控制，只要出現(xiàn) 0的情況，燃燒即可進行，故不需要點火源； 常用于非預混火焰； 但在預混火焰中，反應物一進入計算區(qū)域就開始燃燒，該模型計算的燃燒會出現(xiàn)超前性，故一般不單獨使用。/k/kjwrjNjppiwririMYkABMR, ,FLUENT相關設置相關設置1、選擇能量方程、選擇能量方程和湍流模型和

6、湍流模型2、選擇渦耗散模型、選擇渦耗散模型FLUENT相關設置相關設置3、在設置材料處產(chǎn)看相關反應、在設置材料處產(chǎn)看相關反應反應速率由大渦混合時間尺度 控制，不需要設置點火源。/kFLUENT相關設置相關設置 4、初始化時設置產(chǎn)、初始化時設置產(chǎn)物質(zhì)量比例為物質(zhì)量比例為0.01，用于啟動反應。用于啟動反應。jwrjNjppiwririMYkABMR, ,RwrRRiwririMYkAMR,min渦耗散模型的使用渦耗散模型的使用 適用條件：湍流（高Re數(shù)），快速化學反應（高Da數(shù)），預混、非預混、部分預混； 案例：氣體反應、煤燃燒； 限制條件：（1）混合時間和反應時間相似時不可靠；（2）沒有從化學

7、動力學角度去控制中間物質(zhì)；（3）不能模擬點燃、熄滅等動力學細節(jié)現(xiàn)象。渦耗散模型舉例渦耗散模型舉例燃燃氣入口氣入口點火燃燒：點火燃燒：150m/s煙氣出口煙氣出口物理模型物理模型實例演練二、渦耗散模型實例演練二、渦耗散模型模型及邊界條件模型及邊界條件 功率：16kw,天然氣作為燃料； 模型：渦破碎燃燒模型（EDC）， 離散坐標輻射模型（DO）； 管壁：601合金，3mm厚，發(fā)射率0.85； 爐溫：950 空氣預熱溫度：627 排煙壓力：-500pa3、有限速率、有限速率/渦耗散模型渦耗散模型 簡單結合了Arrhenius公式和渦耗散方程。 避免預混燃燒中，ED模型出現(xiàn)的提前燃燒問題。有限速率有限

8、速率/渦耗散模型渦耗散模型 同時計算Arrhenius公式和渦耗散方程； 凈反應速率取兩個速率中的較小值。 Arrhenius速率：作為動力學開關，阻止反應發(fā)生在火焰穩(wěn)定器之前； 點燃后，渦耗散速率一般小于Arrhenius速率。jwrjNjppiwririMYkABMR, ,有限速率有限速率/渦耗散模型優(yōu)渦耗散模型優(yōu)缺點缺點 優(yōu)點：結合了動力學因素和湍流因素； 缺點：只能用于單步或雙步反應。只能用于單步或雙步反應。 （1）多步反應機理基于Arrhenius速率，每個反應的都不一樣； （2）渦耗散模型中，每個反應都有同樣的湍流速率； （3）不能預測化學動力學控制的物質(zhì)，如活性物質(zhì)。4、渦耗散概

9、念模型、渦耗散概念模型Eddy-Dissipation ConceptEDC模型理論模型理論 是渦耗散模型的擴展，在湍流流動中包括了詳細的化學反應機理，假定化學反應都發(fā)生在小渦當中，反應時間由小渦的生存時間和化學反應本社所需要的時間來共同控制； 小渦的尺度由下式計算： 認為物質(zhì)在這個尺度中，反應經(jīng)過一個時間尺度：4/32*kC2/12*TCCC容積比率常數(shù)，=2.1377時間尺度常數(shù)，=0.4082EDC模型理論模型理論 FLUENT中，小渦的化學反應發(fā)生在等條件下，初始條件為單元中當前的組分和溫度，速率計算采用Arrhenius公式，采用數(shù)值積分的方法來計算經(jīng)過一個 時間后的反應物狀態(tài) 。源

10、項計算公式：組分守恒方程*iY iiiYYw*3*2*1EDC模型特點模型特點 湍流反應中考慮了詳細的化學反應機理； 數(shù)值積分計算開銷很大，計算速度較慢； 在快速化學反應假定無效的情況下使用該模型，即低Da數(shù)，如快速熄滅火焰中中CO緩慢燃燒、NOx的生成等； 推薦使用雙精度求解器，避免反應速率中指前因子和活化能產(chǎn)生的誤差。EDC模型的使用模型的使用 適用條件：湍流，低Da數(shù)，預混、非預混和部分預混燃燒； 案例：（1）湍流反應中的預混合有限比例現(xiàn)象；（2）CO的緩慢燃燒；（3）NOx的形成. 限制條件：占用CPU資源較多，默認使用ISAT算法加速EDC模型模型FLUENT設置設置1、選擇、選擇EDC模型模型容積比例常數(shù)時間比例常數(shù)EDC模型模型FLUENT設置設置2、查看化學反應、查看化學反應（define-materials-reaction）計算化學反應速率，定義活化能和指前因子FLUENT相關設置相關設置3、設置點火高溫區(qū)域、設置點火高溫區(qū)域Solve-initiaze-patch5、有限速率模型總結、有限速率模型總結模型層流有限速率有限速率/EDMEDMEDC特點使用Ar