煤粉燃燒模擬——湍流破碎模型

1、煤粉燃燒模擬 湍流破碎模型煤粉燃燒一一湍流破碎模型(EBU)簡介該幫助文件主要介紹煤粉燃燒模型的設(shè)置和求解，采用湍流破碎模型(EBU)。EBU燃燒模型，也稱渦團(tuán)破碎模型，假設(shè)化學(xué)反應(yīng)的平均速度與化學(xué)動力 學(xué)無關(guān)，而只取決于低溫的反應(yīng)物和高溫的燃燒產(chǎn)物之間的湍流混合作用。主要包括：1) 煤粉燃燒模型的建立和求解2) 湍流破碎模型(EBU)的應(yīng)用3) 選擇合適的求解參數(shù)4) 計(jì)算結(jié)果的后處理問題描述3D模型的剖面圖如圖1所示。左側(cè)為兩個環(huán)形入口，右側(cè)為一個圓形出口 由于模型的對稱性，取系統(tǒng)的1/4進(jìn)行建模。煤粉和攜帶空氣(一次風(fēng))從內(nèi)環(huán) 進(jìn)入燃燒室，二次風(fēng)從外環(huán)進(jìn)入燃燒室，發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)物從壓力

2、出口流出。 模型建立和求解Step1：網(wǎng)格1、讀取mesh文件2、檢杳網(wǎng)格：gridcheck3、顯示網(wǎng)格：displaygrida)從列表框中選取所有surfacesb)點(diǎn)擊display，并關(guān)閉grid display 面板Step2模型1、選擇k- &湍流模型Define models一+viscous2、啟動能量方程Define modelsenergy3、啟動物質(zhì)輸運(yùn)方程Define - models-k speciestransport & reactiona）選擇 model 列表中的 species transportb）選擇 reaction 列表中的 vol

3、umetricc）選擇 mixture material 列表中的 coal-hv-volatiles-aird）選擇turbulence-chemistry interaction（湍流與化學(xué)反應(yīng)的作用）列 表中的eddy dissipation（渦流耗散）e） 點(diǎn)擊 ok, 關(guān)閉 species mode面板4、啟動Discrete ordinates模型（DO離散坐標(biāo)系）a）從 model 列表中選擇 discrete ordinatesb）設(shè)置 flow iterations per radiation iteration （流動和輻射迭代次數(shù)） 為1c） 設(shè)置 angular dis

4、cretization （角離散化）中的 Theta Divisions and Phi Divisions為 4d）設(shè)置 angular discretization （角離散化）中的 Theta Pixels and Phi Pixels為 3e）點(diǎn)擊 ok，關(guān)閉 radiation model5、啟動discrete phase（離散相）模型a）Max number of steps （最大步數(shù)）40000b）啟動 specify length scal（步長），設(shè)為 0.0025c） 點(diǎn)擊 ok，關(guān)閉 discrete phase面板Step3: injections （噴口）1、v-

5、1 入口截面設(shè) 9 個噴口： definek injectionsa）點(diǎn)擊creat，新建噴口c） 9個噴口通用性質(zhì)，見表lrameterValueParticle TypeCombustingMaterialcoal-hvDevolatilizing Specieshv_volProduct Speciesco2Oxidizing Specieso2Point PropertiesTemperature = 343. Z-Velocity 23.11Turbulent DispersionStochasti匚 Model with values fbr Number of Tries and

6、 Time S匚制住 Constant as 10 and 0 15 respectively.c) 點(diǎn)擊 turbulent dispersion 并啟動 discrete random walk modeld) 設(shè)置噴口的流速和顆粒半徑Injection 5* a meDiametey (ni)Flow Rateinjection-0le-60.00018264inject io rnl5e-60.00073056injection-2le-50,00127848inje 匚 tion 32 *50.00438336injection-45e-50.00584448inje 匚 tion5

7、7.5e-50.00347016injection-60.00010.00146112injection-70,00020.00073056inje ction-80.00030.00018264e) 其它參數(shù)保留默認(rèn)值f) 關(guān)閉injections面板Step4： materials (物質(zhì)特性)1、修改 coal-hv-volatiles-air混合物的特性：define materialsa) 從數(shù)據(jù)庫中添加COb) 點(diǎn)擊mixture species的edit,打開species面板，將CO添加至右側(cè) mixture species列表中，并保證 N2位于列表的最后c) 點(diǎn)擊 reac

8、tion 的 edit，打開 reactions面板，編輯 eddy-dissipation的反 應(yīng)式，如下：lieactan tssProductsNumber of Re actants = 2Number of Products = 4Stoiclb Coefficients hv_Tcl 1 o2 = 2.46Stoich Coefficients co 2.17co2 = 0.633 h2o = 2418n2 = 0,071Table 3: Reaction 1ReactantsProductsXninber of Beactants 二 2Ntunher of Products 二

9、 1Stoich. Coefficientsco = 1o2 = 0,5Stoicli. Coefficient co2 = 1Table 4: Reaction 2其余參數(shù)保留默認(rèn)值，關(guān)閉reactions面板2、設(shè)置燃燒顆粒coal-hv的特性PropertyValueDensity1000Cp1100Latent Heat0Vapori2ation Temperature343Volatile Component Fra匚tion55Binary Diffusivity3e-5Swelling Coefficient2Burnout Storch iometric Ratio2.67Co

10、mbustible Fraction36 +了Heat of Rea匚tion for Burnout3.29e7React. Heat Fraction Absorbed by Solid0Combustion Modelkinetics difFusion-lirnitedr；1ass DifFusion-Limited Rate Constant = 5e-12Kinetics-Limited Rate Pre-Exponential Factor 6.7KineticS'Limited Rate Activation Energy = 1 + 138e8 aporization

11、 temperature of coni 帝 773 K. But. to tart the reaatioTiJi. ire ifil! lower it to 343 K and once the flame shape is obtained, it trill be changed to the original value.3、 設(shè)置 02、CO2、H2O、CO、N2 的特性在Cp列表中選擇piecewise-polynomial保留默認(rèn)參數(shù)4、設(shè)置 coal-hv-volatiles特性la) Enter 50 for Molecular Weight and -1.8474e7

12、for Standard State Enthalpy.5、點(diǎn)擊 change/create按鈕，關(guān)閉 materials面板Step5:操作條件Define operating conditions保留默認(rèn)參數(shù)。Step6:設(shè)置 UDFudf導(dǎo)入后用于設(shè)置后續(xù)的邊界條件。Define user defined functions interpreted1、設(shè)置源文件的名稱，C函數(shù)(coal-ebu.c2、設(shè)置C預(yù)處理中CPP的命令名迭代次數(shù)取默認(rèn)值10000,除非udf函數(shù)中的局部變量超出該值 造成溢出。該case中，保證迭代次數(shù)高于局部變量。3、如果用fluent的預(yù)處理代替，則選擇 us

13、e contributed CPP選項(xiàng)；4、點(diǎn)擊 interpret，關(guān)閉 interpretd UDFs 面板如果編譯過程出現(xiàn)錯誤，則調(diào)試至無錯誤為止。Step7：邊界條件2、Define 一一* boundary conditionParameterValueVelocity Magnitude23.11 lii/sTemperature343 KTurbulence Intensity10%Hydraulic Diameter0.013 inSpecies Mass Fractionso2 二 0.2315Internal Emissivity1Discrete Phase BC Typ

14、e巳5匚ape1、 入口 V-1的設(shè)置如下入口 V-2的設(shè)置如下:PaiameterValueVelocity Specification MethodComponentsCoordinate SystemCylindrical (Radial, Tangential, Axial)Radial-Velocity0Tangential-Velocityudf vinle t2wvelAxial-Velocityudf vinlet2ijvelTemperature573 KTurbulence Intenity12 %Hydraulic Diameter0.047 inSpecies Mass

15、 Fractionso2 = 0.23153、出口 P-1的設(shè)置如下:IararneterValueGauge Pressure0Backflow Total Temperature1000 K匚kflow Turbulence Intensity10%Backflow Hydraulic Diameter1 inSpecies Mass Fractionso2 = 0.23154、設(shè)置壁面邊界條件，溫度和內(nèi)部輻射系數(shù)如下:ZoneTemperatureInternal Emissivityw-13430.6w-25730.6w-38730.6w-412730.5w5udf wall5temp

16、0-5w-6udf wallStemp0.5w-7udf wall7temp0.5w-813230.5w-910730.55、設(shè)置周期性旋轉(zhuǎn);6、關(guān)閉面板Step8:無反應(yīng)流動計(jì)算1、關(guān)閉體反應(yīng)Define * models species transport&reaction2、關(guān)閉離散坐標(biāo)輻射模型Solve controls solutiona) 從 equations列表框中關(guān)閉discrete oridinatesb) 點(diǎn)擊OK，關(guān)閉面板3、關(guān)閉與連續(xù)相的交互反應(yīng)(interaction)definemodels discrete phase4、初始化計(jì)算區(qū)域Solve f i

17、nitialize initialize5、打開殘差監(jiān)視圖Solve 一+ monitors- - residual6、迭代計(jì)算100步Solve 一+ iterate7、改變計(jì)算控制參數(shù)Solve » controls solutiona) 壓降選擇PRESTO!b) 壓力、動量、湍流的松弛因子分別設(shè)為 0.5、0.2和0.7c) 點(diǎn)擊OK，關(guān)閉面板8、迭代計(jì)算羽00步。Step9加入反應(yīng)流的計(jì)算1、啟動與連續(xù)相的交互作用(interection with continuousphas® , 設(shè)置交互間隔為1步；2、啟動體反應(yīng)(volumetric reactions ;

18、3、反應(yīng)區(qū)域中補(bǔ)充考慮高溫和生成物分子量：Adapt regiona) 在shapes列表中選擇cylinder；b) 在面板中輸入坐標(biāo)值；c) 點(diǎn)擊mark，關(guān)閉面板4、在反應(yīng)區(qū)域考慮如下參數(shù)：Solve initialize * patcha) 選擇cylinder-r0，設(shè)置參數(shù)如下溫度=2000KH2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)=0.01CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)=0.01b) 關(guān)閉面板5、設(shè)置松弛因子如下：Energy0.95Species0.95Discrete Phase Sour匚16、迭代計(jì)算1步；7、保存 case和 data( coal-ebu-react-star)；8、設(shè)置每50步進(jìn)行DPM交互計(jì)

19、算9、設(shè)置 discrete phase source的松弛因子為 0.1；10、迭代計(jì)算300步。Step10:進(jìn)行收斂計(jì)算1、改變計(jì)算控制參數(shù)Solve controls solutiona）從equations列表框中選擇discrete ordinates（離散坐標(biāo)系）；b）Density松弛因子設(shè)為0.72、迭代計(jì)算第00步；3、保存 case和 data （名稱 coal-ebu-1）；4、設(shè)置離散化列表中動量、湍動能、湍流耗散率、hv-vol、02、CO2、H20、CO和能量為二階迎風(fēng)；5、迭代計(jì)算為00步；6、保存 case和 data （名稱coal-ebu-2）7、啟動粒子輻射計(jì)算；Define models* discrete phase8、改變?nèi)紵w粒的特性Define * materialsa）蒸發(fā)溫度設(shè)為773K ；b）顆粒離散因子設(shè)為0.159、所有物質(zhì)的松弛因子設(shè)為 1, energy和turbulence的松弛