FLUENT中組分輸運(yùn)及化學(xué)反應(yīng)燃燒模擬學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1FLUENT中組分輸運(yùn)及化學(xué)反應(yīng)燃燒模擬中組分輸運(yùn)及化學(xué)反應(yīng)燃燒模擬第1頁(yè)/共32頁(yè)nn流場(chǎng)流動(dòng)特性及其混合特性n溫度場(chǎng)n組分濃度場(chǎng)n顆粒和污染物排放Temperature in a gas furnaceCO2 mass fractionStream function第2頁(yè)/共32頁(yè)稀疏相模型液滴/顆粒動(dòng)力學(xué)非均相反應(yīng)液化蒸發(fā)輸運(yùn)控制方程質(zhì)量動(dòng)量 (湍流)能量化學(xué)組分燃燒模型預(yù)混局部預(yù)混非預(yù)混燃燒污染物模型輻射換熱模型第3頁(yè)/共32頁(yè)(V5)n粉煤與噴油燃燒子模型n輻射模型: DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates (V5)n湍流模型: k-

2、, RNG k-, RSM, Realizable k-(V5) and LES (V5)n污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and soot第4頁(yè)/共32頁(yè)n簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理n有限速率燃燒模型n考慮湍流及其混合、弱化反應(yīng)化學(xué)n混合分?jǐn)?shù)模型n平衡化學(xué)的 PDF模型n層流火焰面模型n進(jìn)展變量模型nZimont 模型第5頁(yè)/共32頁(yè)nRjk (第k 個(gè)化學(xué)反應(yīng)生成或消耗的j 組分)是根據(jù) Arrhenius速率公式、混合或渦旋破碎（EBU）速率的小值。.n混合速率與渦旋壽命相關(guān), k /.n物理意義是湍流渦旋是決定化學(xué)反應(yīng)的首要因素。對(duì)于非預(yù)混燃燒，湍

3、流渦旋決定了組分混合；對(duì)于預(yù)混燃燒湍流決定了熱輸運(yùn)（高溫加熱低溫）。即：化學(xué)反應(yīng)決定于湍流混合組分（非預(yù)混燃燒）和熱量（預(yù)混燃燒）的速率。RRjjkk第6頁(yè)/共32頁(yè)n部分預(yù)混燃燒模型部分預(yù)混燃燒模型該模型用來(lái)處理系統(tǒng)中同時(shí)具有非預(yù)混和充分預(yù)混的情況。該方法同時(shí)求解了混合分?jǐn)?shù)和反應(yīng)進(jìn)展變量第7頁(yè)/共32頁(yè)則: n生成新的混合物.n改變已有混合物的物性/化學(xué)反應(yīng).第8頁(yè)/共32頁(yè).n模型常數(shù)不確定, 特別是用于計(jì)算多個(gè)化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候尤為如此，模型常數(shù)通用性較差。.第9頁(yè)/共32頁(yè). n用化學(xué)平衡計(jì)算來(lái)處理化學(xué)反應(yīng)(prePDF).n只求解混合物分?jǐn)?shù)及其方差的輸運(yùn)方程, 無(wú)需求解組分的輸運(yùn)方程.n

4、可以嚴(yán)格考慮湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用第10頁(yè)/共32頁(yè)混合物分?jǐn)?shù)代表計(jì)算控制體里的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù).n混合物分?jǐn)?shù)是守恒標(biāo)量（conserved scalar）: n組分輸運(yùn)方程中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng).OkFkOkkZZZZf,第11頁(yè)/共32頁(yè)n多燃料進(jìn)口的擴(kuò)散火焰:60% CH4 40% CO21% O2 79% N2f = 1f = 035% O2 65% N260% CH4 40% CO35% O2 65% N2f = 1f = 0f = 060% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO221% O2 79% N2f = 1f = 0f = 160% CH4 20% CO 10%

5、C3H8 10% CO2第12頁(yè)/共32頁(yè)第13頁(yè)/共32頁(yè)np(V), the PDF, represents fraction of sampling time when variable, V, takes a value between V and V + V.np(f) can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction, f:nSpecies mole fractionsnTemperature, densityp VVTTii( )lim1iip

6、ff df( )( )01第14頁(yè)/共32頁(yè)nFLUENT用第二守恒標(biāo)量可以模擬:nTwo fuel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa)nNonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizernCo-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuelnFiring single coal with two off-gases (volatiles

7、 and char burnout products) tracked separately第15頁(yè)/共32頁(yè)n.第16頁(yè)/共32頁(yè)層流火焰面模型u用混合分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率來(lái)求解（絕熱）溫度、密度和組分等量。l對(duì)于混合分?jǐn)?shù) PDF 模型 (絕熱), 熱化學(xué)狀態(tài)只是 f 的函數(shù)lc 與當(dāng)?shù)貞?yīng)變率有關(guān)u把混合分?jǐn)?shù) PDF擴(kuò)展到模擬中度化學(xué)非平衡燃燒模擬中u用層流拉伸火焰系綜來(lái)模擬湍流火焰, 對(duì)撞擴(kuò)散火焰2)/(xf c),(cfii第17頁(yè)/共32頁(yè)層流火焰面模型(2)u用指定概率密度函數(shù)（PDF） P(f,c) 的方法來(lái)決定層流火焰面系綜。假定的概率包括計(jì)算為：Pf (f) Pc (c), 其中，

8、 Pf (f) 用Beta 函數(shù)， Pc (c) 用delta函數(shù)u只適合絕熱系統(tǒng)（FLUENT V5）uImport strained flame calculationslprePDF or Sandias OPPDIF codeuSingle or multiple flameletslSingle:user specified strain, alMultiple: strained flamelet library, 0 a aextinctionna=0 equilibriumna= aextinction is the maximum strain rate before fla

9、me extinguishesuPossible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)10 0)()(),(dfdPfPffiicccc第18頁(yè)/共32頁(yè)預(yù)混燃燒的Zimont模型u用單個(gè)過(guò)程變量來(lái)模擬熱化學(xué)過(guò)程, u平均反應(yīng)速率, u湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣? Ut, 根據(jù)貧燃預(yù)混燃燒推導(dǎo)得到，并考慮l預(yù)混燃料當(dāng)量比l湍流引起的火焰前鋒皺折和增厚l湍流拉伸引起的火焰前鋒淬熄l分子擴(kuò)散u適合絕熱燃燒,u非絕熱燃燒必須求解焓方程tcxu cxSccxRciiittic01RUccunburnttpadpppYYc/adunburnt

10、TcTcT)1(第19頁(yè)/共32頁(yè)用、顆粒破碎n模擬湍流彌撒n隨機(jī)軌道（Stochastic tracking）n顆粒云團(tuán)模型（Particle cloud (V5)）nRosin-Rammler or linear size distributionn非定常流動(dòng)中的顆粒軌道 (V5)n模擬顆粒分離, 噴霧烘干, 液體燃料或煤粉的燃燒過(guò)程。.計(jì)算連續(xù)相流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算顆粒軌道更新連續(xù)相源項(xiàng)第20頁(yè)/共32頁(yè)相同的初始直徑，密度等. n考慮湍流彌散尤為重要n更復(fù)合真實(shí)物理過(guò)程，但計(jì)算量更大。n可以通過(guò)光滑源項(xiàng)、消除與氣相的耦合來(lái)強(qiáng)化計(jì)算穩(wěn)定性；Coal particle tracks in an in

11、dustrial boiler第21頁(yè)/共32頁(yè)顆粒彌散: 顆粒云團(tuán)模型u 用平均速度決定顆粒的平均軌道u假定該平均軌道為 3D多變量的 Gaussian 分布，計(jì)算顆粒偏離的范圍（3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差）uRigorously accounts for inertial and drift velocitiesuA particle cloud is required for each particle type (e.g. initial d, etc.)uParticles can escape, reflect or trap (release volatiles) at wallsuElimi

12、nates (single cloud) or reduces (few clouds) stochastic trackinglDecreased computational expenselIncreased stability since distributed source terms in gas phaseBUT decreased accuracy sincelGas phase properties (e.g. temperature) are averaged within cloud lPoor prediction of large recirculation zones

13、第22頁(yè)/共32頁(yè)非定常流動(dòng)的顆粒軌道模擬uEach particle advanced in time along with the flowuFor coupled flows using implicit time stepping, sub-iterations for the particle tracking are performed within each time stepuFor non-coupled flows or coupled flows with explicit time stepping, particles are advanced at the end

14、of each time step第23頁(yè)/共32頁(yè)nSeveral devolatilization and char burnout models provided.nNote: These models control the rate of evolution of the fuel off-gas from coal/oil particles. Reactions in the gas (continuous) phase are modeled with the PDF or finite rate combustion model.第24頁(yè)/共32頁(yè)n快速機(jī)理（Prompt N

15、Ox）- De Soete, Williams提出的經(jīng)驗(yàn)機(jī)理. n通常該機(jī)理對(duì)Nox排放量影響較小n富燃燃燒區(qū)域該機(jī)理有明顯作用n燃料 NOx機(jī)理- De Soete, Williams等人提出的經(jīng)驗(yàn)機(jī)理.n在煤燃燒中， 燃料中含N高，并且燃燒溫度不是很高時(shí)起作用。nNOx再燃 (V5)n在燃料富足的燃燒區(qū)域，NO會(huì)與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)，使得NO 減少第25頁(yè)/共32頁(yè)煙（Soot） 模型u兩種煙模型:lOne-step 模型 (Khan and Greeves)n1個(gè)輸運(yùn)方程，煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)lTwo-Step 模型(Tesner)nTransport equations for radical nu

16、clei and soot mass fraction concentrationsuSoot 生成采用經(jīng)驗(yàn)公式其中, C, pf, 和 F 是模型常數(shù), 燃料分壓力和當(dāng)量比。u采用Magnussen模型計(jì)算 Soot 燃燒 (消耗)uSoot 對(duì)輻射的影響l激活Soot面板上的Soot-Radiation 選項(xiàng)RTEnfformationepCR/F第26頁(yè)/共32頁(yè)優(yōu)先給定邊界溫度，很難給定對(duì)流換熱或者輻射換熱量n初始條件初始條件n穩(wěn)態(tài)解跟初始值無(wú)關(guān)，但給的初始值不好，由于各個(gè)方程之間不和諧和輸運(yùn)方程的非線性，導(dǎo)致解分歧或發(fā)散不收斂。先求解冷態(tài)流動(dòng)、接著氣體燃燒、顆粒燃燒、再考慮輻射；n對(duì)于強(qiáng)旋流動(dòng)，漸漸增加旋流速度；第