FLUENT中組分輸運及化學反應(yīng)燃燒模擬學習教案

1、會計學1FLUENT中組分輸運及化學反應(yīng)燃燒模擬中組分輸運及化學反應(yīng)燃燒模擬第1頁/共32頁nn流場流動特性及其混合特性n溫度場n組分濃度場n顆粒和污染物排放Temperature in a gas furnaceCO2 mass fractionStream function第2頁/共32頁稀疏相模型液滴/顆粒動力學非均相反應(yīng)液化蒸發(fā)輸運控制方程質(zhì)量動量 (湍流)能量化學組分燃燒模型預(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/共32頁(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/共32頁n簡化化學反應(yīng)機理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n混合分數(shù)模型n平衡化學的 PDF模型n層流火焰面模型n進展變量模型nZimont 模型第5頁/共32頁nRjk (第k 個化學反應(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反應(yīng)的首要因素。對于非預(yù)混燃燒，湍

3、流渦旋決定了組分混合；對于預(yù)混燃燒湍流決定了熱輸運（高溫加熱低溫）。即：化學反應(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/共32頁n部分預(yù)混燃燒模型部分預(yù)混燃燒模型該模型用來處理系統(tǒng)中同時具有非預(yù)混和充分預(yù)混的情況。該方法同時求解了混合分數(shù)和反應(yīng)進展變量第7頁/共32頁則: n生成新的混合物.n改變已有混合物的物性/化學反應(yīng).第8頁/共32頁.n模型常數(shù)不確定, 特別是用于計算多個化學反應(yīng)的時候尤為如此，模型常數(shù)通用性較差。.第9頁/共32頁. n用化學平衡計算來處理化學反應(yīng)(prePDF).n只求解混合物分數(shù)及其方差的輸運方程, 無需求解組分的輸運方程.n

4、可以嚴格考慮湍流與化學反應(yīng)的相互作用第10頁/共32頁混合物分數(shù)代表計算控制體里的燃料質(zhì)量分數(shù).n混合物分數(shù)是守恒標量（conserved scalar）: n組分輸運方程中沒有化學反應(yīng)源項.OkFkOkkZZZZf,第11頁/共32頁n多燃料進口的擴散火焰: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/共32頁第13頁/共32頁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/共32頁nFLUENT用第二守恒標量可以模擬: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/共32頁n.第16頁/共32頁層流火焰面模型u用混合分數(shù)和標量耗散率來求解（絕熱）溫度、密度和組分等量。l對于混合分數(shù) PDF 模型 (絕熱), 熱化學狀態(tài)只是 f 的函數(shù)lc 與當?shù)貞?yīng)變率有關(guān)u把混合分數(shù) PDF擴展到模擬中度化學非平衡燃燒模擬中u用層流拉伸火焰系綜來模擬湍流火焰, 對撞擴散火焰2)/(xf c),(cfii第17頁/共32頁層流火焰面模型(2)u用指定概率密度函數(shù)（PDF） P(f,c) 的方法來決定層流火焰面系綜。假定的概率包括計算為：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/共32頁預(yù)混燃燒的Zimont模型u用單個過程變量來模擬熱化學過程, 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/共32頁用、顆粒破碎n模擬湍流彌撒n隨機軌道（Stochastic tracking）n顆粒云團模型（Particle cloud (V5)）nRosin-Rammler or linear size distributionn非定常流動中的顆粒軌道 (V5)n模擬顆粒分離, 噴霧烘干, 液體燃料或煤粉的燃燒過程。.計算連續(xù)相流動場計算顆粒軌道更新連續(xù)相源項第20頁/共32頁相同的初始直徑，密度等. n考慮湍流彌散尤為重要n更復(fù)合真實物理過程，但計算量更大。n可以通過光滑源項、消除與氣相的耦合來強化計算穩(wěn)定性；Coal particle tracks in an in

11、dustrial boiler第21頁/共32頁顆粒彌散: 顆粒云團模型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，計算顆粒偏離的范圍（3倍標準偏差）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/共32頁非定常流動的顆粒軌道模擬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/共32頁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/共32頁n快速機理（Prompt N

15、Ox）- De Soete, Williams提出的經(jīng)驗機理. n通常該機理對Nox排放量影響較小n富燃燃燒區(qū)域該機理有明顯作用n燃料 NOx機理- De Soete, Williams等人提出的經(jīng)驗機理.n在煤燃燒中， 燃料中含N高，并且燃燒溫度不是很高時起作用。nNOx再燃 (V5)n在燃料富足的燃燒區(qū)域，NO會與碳氫化合物反應(yīng)，使得NO 減少第25頁/共32頁煙（Soot） 模型u兩種煙模型:lOne-step 模型 (Khan and Greeves)n1個輸運方程，煙質(zhì)量分數(shù)lTwo-Step 模型(Tesner)nTransport equations for radical nu

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