ANSYS燃燒反應(yīng)模擬介紹

1、ANSYS 17.0燃燒反應(yīng)模擬基本概念反應(yīng)流模型快速化學(xué)反應(yīng)模型有限速率化學(xué)反應(yīng)模型表面反應(yīng)/污染物固體/液體燃燒概要基本定義燃燒反應(yīng)燃料和氧化劑發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)、放出大量熱并使得化學(xué)成分的種類發(fā)生變化的過(guò)程由燃燒支配的流動(dòng)構(gòu)成反應(yīng)流動(dòng)的主要部分化學(xué)計(jì)量學(xué)一定量燃料要充分燃燒需要充足的氧化劑CH4 + O2 CO2 + H2O燃料與空氣的化學(xué)計(jì)量比燃料數(shù)量與空氣數(shù)量的化學(xué)計(jì)量比額外空氣提供的空氣量超過(guò)化學(xué)計(jì)量結(jié)果所需的量等值比()燃料-空氣的真實(shí)比值與燃料-空氣化學(xué)計(jì)量比的比值 1 富油燃燒; 1Finite rate chemistryDa 1離散項(xiàng)模型(固/液 模型)液珠/顆粒 動(dòng)力學(xué)D

2、EM 碰撞蒸發(fā)揮發(fā)多項(xiàng)反應(yīng)湍流模型LES, DES, SAS.RANS: k-e, k-w, RSM.污染物模型NOx, Soot, SOx輻射模型P1, DO (Gray/Non-gray)真實(shí)氣體影響SRK, ARK, RK, PRFluent中的燃燒模型預(yù)混燃燒模型非預(yù)混燃燒模型部分預(yù)混燃燒模型快速化學(xué)反應(yīng)離散渦模型(分類運(yùn)輸 )預(yù)混燃燒模型C公式G 公式ECFM非預(yù)混模型均衡模型混合物分?jǐn)?shù)部分預(yù)混模型多變反應(yīng)過(guò)程+混合物分?jǐn)?shù)有限速率化學(xué)反應(yīng)層流有限速率模型離散渦概念(EDC)模型綜合PDF 輸運(yùn)模型層流小火焰模型(穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài))流場(chǎng)結(jié)構(gòu)化學(xué)反應(yīng)簡(jiǎn)介模擬湍流反應(yīng)的挑戰(zhàn)湍流反應(yīng)模型離散渦模

3、型漸進(jìn)均衡模型非預(yù)混均衡模型小火焰預(yù)混部分預(yù)混小火焰多種生成概要: part-II湍流反應(yīng)流模擬大多數(shù)工程中的反應(yīng)問(wèn)題都是湍流問(wèn)題IC 引擎, 燃?xì)廨啓C(jī), 鍋爐, 熔爐, 火箭發(fā)動(dòng)機(jī).方法直接數(shù)值解法(DNS)考慮到反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)尺度問(wèn)題，目前大多數(shù)解法均難以精確模擬DNS 解法目前僅限于實(shí)驗(yàn)室探究燃燒問(wèn)題RANS法工程實(shí)踐中經(jīng)常采用的方法大渦模擬 (LES) 介于DNS 和RANS之間混合模型 (DES, SAS or ELES)應(yīng)用實(shí)例煤油燈火焰層流小火焰模型(JetSurF 1.0)甲烷燃燒1層流小火焰模型(GRI Mech 3.0)玻璃熔爐燃燒(EBU model)Hamworthy

4、燃燒公司. 預(yù)混燃燒器加熱過(guò)程天然氣燃燒模型(均衡非預(yù)混模型)氫氧燃燒(RCM-3)(均衡非預(yù)混火焰模型)環(huán)形燃燒室模型2(部分預(yù)混模型)Courtesy of Lamar University, Beaumont, TX, 2011 (Experimental image from University of Alberta, Flare research project, final report, 2004)Courtesy of Siemens-Westinghouse簡(jiǎn)介詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)模型層流有限速率離散渦概念合成 PDF 輸運(yùn)化學(xué)反應(yīng)加速工具In-situ 適應(yīng)性表格化學(xué)

5、反應(yīng)的匯聚維度減少概要: part-III三種類型詳細(xì)的, 框架和縮略式的反應(yīng)機(jī)理詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)物種類龐大基原反應(yīng)種類龐大框架式反應(yīng)機(jī)理縮減后的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理刪除了不重要的反應(yīng)物和反應(yīng)過(guò)程縮略式反應(yīng)機(jī)理在上述兩種反應(yīng)機(jī)理上更進(jìn)一步細(xì)化 準(zhǔn)定常狀態(tài)假設(shè)(QSSA)詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的類型計(jì)算經(jīng)濟(jì)性求解精確性低高CHEMKIN 格式Fluent 可導(dǎo)入CHEMKIN 反應(yīng)機(jī)理文件基元反應(yīng)機(jī)理的簡(jiǎn)要描述反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)物和反應(yīng)過(guò)程的簡(jiǎn)要信息導(dǎo)入CHEMKIN 文件時(shí)將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算單位的轉(zhuǎn)換需要單獨(dú)的熱動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)支持示例文件指前因子溫度因子激活能量詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)計(jì)算需要消耗大量時(shí)間和計(jì)算資源化學(xué)反應(yīng)加速工

6、具可以加速這一過(guò)程In situ 適應(yīng)性表格(ISAT)化學(xué)反應(yīng)集聚維度削減化學(xué)反應(yīng)加速工具應(yīng)用實(shí)例Sandia 燃燒 合成PDF 輸運(yùn)(16 種反應(yīng)物 框架反應(yīng)機(jī)理)固體火箭燃燒室(RCM-3) 層流有限速率模型(8 反應(yīng)物and 20 反應(yīng))壓力和放熱變化 （IC 引擎） 層流有限速率模型(ERC n-庚烷 反應(yīng)機(jī)理: 29 反應(yīng)物 & 52 反應(yīng))Cheng & FarmerFluent Sandia 燃燒EDC 模型(16 反應(yīng)物框架反應(yīng)機(jī)理)FluentExpt.Temperature (K)x/d空氣在超過(guò)音速下離散(M 40) 層流有限速率模型(Gupta 反應(yīng)機(jī)理: 11 反應(yīng)

7、物 & 20 反應(yīng))應(yīng)用范圍熔爐, 鍋爐, 焚化爐 (廢物燃燒), 燃?xì)獍l(fā)生器 (生成合成氣)固體燃料燃燒 水分灰燼 揮發(fā)燒焦干燥 液化/ 高溫分解氣化/燃燒 殘留物H2, CH4, CO, CO2, H2O, Tar. 水蒸汽 應(yīng)用舉例: 科斯塔爐主進(jìn)口次級(jí)進(jìn)口第三級(jí)進(jìn)口加壓火焰空氣(BOFA) 入口空氣進(jìn)口邊界主空氣進(jìn)口流速 = 305.2 ton/h溫度 = 75oC次級(jí)+ 第三級(jí)空氣進(jìn)口總流量= 574.8 ton/h次級(jí)和第三級(jí)流量分布= 15% - 85%溫度 = 377oC邊界空氣進(jìn)口流速 = 50 ton/h溫度= 377oCBOFA 空氣進(jìn)口流速 = 257溫度 = 377o

8、C壁面溫度 = 452 K輻射系數(shù)= 0.6煤離散項(xiàng)供給速率 = 110.2 ton/h 溫度 = 75oC近似分析(干燥 重量百分比 )灰燼 = 13.83揮發(fā) = 33.07固定碳 = 53.10最終分析(干燥 重量百分比%)C碳 = 70.91H氫 = 4.52N氮 = 1.47S硫 = 1.39O氧 = 7.89總熱值28.9 MJ/kg邊界條件案例氣-油Inlet 進(jìn)口復(fù)合物O2 23.3%N2 76.7%氧-油干-循環(huán)O2 23.3%CO2 76.7%濕-循環(huán)O2 22.3%H2O 13.6%CO2 64.1%模型湍流模型Standard k-反應(yīng)模型離散渦2 步反應(yīng)機(jī)理輻射模型:

9、 DO吸收系數(shù)設(shè)置為WSGGM包括粒子-輻射相互作用求解設(shè)置溫度場(chǎng)空氣-燃燒Toutlet = 1458K干-循環(huán)Toutlet = 1467K濕-循環(huán)Toutlet = 1421K均包括液體氣化和燃燒兩個(gè)過(guò)程應(yīng)用案例內(nèi)燃機(jī), 燃?xì)廨啓C(jī), 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)池火液體燃料燃燒液體燃料噴射燃燒池火1ANSYS Forte 17.0 最新改進(jìn)徹底集成到ANSYS統(tǒng)一安裝文件中并共用許可證 通過(guò)ANSYS用戶入口使得用戶的服務(wù)和支持更加簡(jiǎn)化通過(guò)內(nèi)燃機(jī)流程嵌入到workbench模塊中 從幾何模型準(zhǔn)備到最終可視化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流程其他在技術(shù)、計(jì)算穩(wěn)定性和計(jì)算速度方面的提升 求解器自適應(yīng)網(wǎng)格 可自動(dòng)計(jì)算任意燃料混

10、合條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣華NSYS Forte 17.0有何改進(jìn)之處？Forte 在WB-ICE中的工作流程 WB中內(nèi)燃機(jī) (Forte) 1. 用DM 或Spaceclaim 處理幾何模型2. 創(chuàng)建幾何, 定義各個(gè)面3. WB-ICE 將會(huì)對(duì)有需要的邊界面進(jìn)行自動(dòng)拆分4. WB-ICE將會(huì)生成密閉性的表面網(wǎng)格5. Forte 在模擬過(guò)程中按需要自動(dòng)生成動(dòng)網(wǎng)格CFD-Post 對(duì) Forte結(jié)果的可視化處理 包括在WB-ICE中自動(dòng)生成結(jié)果報(bào)告Time ANSYS Forte自適應(yīng)求解器網(wǎng)格 在臨界時(shí)間內(nèi)更好的控制網(wǎng)格的更新 在網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格分辨率/精度兩方面獲得更好的平衡 在有需要時(shí)可對(duì)局部網(wǎng)

11、格進(jìn)行更一步的優(yōu)化 在適應(yīng)性方面更加靈活: 根據(jù)求解的重要性和梯度 根據(jù)任意基礎(chǔ)的求解變量 速度, 溫度, 壓力, 湍流動(dòng)能, 組分比例, 等等.根據(jù)所選擇的其他求解變量 E.g., 等值比, 燃料氣化比例絕對(duì)取值范圍, 百分比范圍, 或者標(biāo)準(zhǔn)偏差腔室中噴射燃燒 溫度云圖應(yīng)用舉例: 火焰?zhèn)鞑サ牟蹲?根據(jù)梯度值或求解器先前設(shè)定的時(shí)間步在每個(gè)時(shí)間步對(duì)動(dòng)網(wǎng) 格進(jìn)行優(yōu)化 在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中根據(jù) CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行網(wǎng)格 優(yōu)化 在一個(gè)帶有孔洞的圓柱形 天然氣燃燒室中剖取截面 并顯示溫度云圖 多組分燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣?數(shù)據(jù)庫(kù)可生成有50種燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?對(duì)所有的燃料組分都將初步計(jì)算層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?

12、采用最新的MFL 機(jī)理 采用ANSYS Chemkin 針對(duì)引擎中最廣泛的所有情況 變等值比, 溫度, 壓力 Forte中的混合 用戶只需提供燃料組分 Forte 自動(dòng)考慮 燃料混合層次和非線性混合的影響非線性混合驗(yàn)證對(duì)比 CHEMKIN 對(duì)燃料混合的計(jì)算結(jié)果 大大簡(jiǎn)化多組分燃料的使用，同時(shí)提高了精確性并 減少用戶可能發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤采用火焰速度數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì) 燃料數(shù)據(jù)庫(kù)考慮了多組分燃料的 層化, 這對(duì)GDI非常重要對(duì)所有燃料組分的表現(xiàn)進(jìn)行了平均 在實(shí)際中各個(gè)因素都會(huì) 交叉影響 假定個(gè)影響因素互相獨(dú)立并建立各 個(gè)因素的冪次關(guān)聯(lián)式 壓力 等值比 溫度 稀釋 燃料結(jié)構(gòu)舉例: SL 與 壓力從 0 到 40

13、% EGR*SAE Technical Paper 2016(submitted), Puduppakkam et al.針對(duì)CHT 模擬的最新優(yōu)化 監(jiān)控所有的壁面邊界的點(diǎn)狀 云圖 靜止或移動(dòng) (邊界移動(dòng)) 累計(jì)的平均時(shí)間將會(huì)顯示出來(lái) 熱流量, 換熱系數(shù),溫度 采用格式化方法使得在CFD-Post中查 看結(jié)果變得更加容易 可以和ANSYFluent 以及ANSYS Mechanical進(jìn)行結(jié)合其他對(duì)結(jié)果和計(jì)算速度的提升 Forte TKI 模型的提升 提升主要是針對(duì)高負(fù)荷的柴油機(jī) 被一系列商用柴油機(jī)的案例證明和確證 針對(duì)SI 火花 & 火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行了加強(qiáng) 提升了火焰?zhèn)鞑?duì)大規(guī)模整體速度的響應(yīng)

14、商業(yè)NG 引擎供應(yīng)商的工作結(jié)果 主要的提升針對(duì)于預(yù)測(cè)多種碗狀結(jié)構(gòu)& 點(diǎn)火策略 表現(xiàn)提升: 與Forte 40145對(duì)比, 典型的結(jié)果: 全循環(huán)GDI 工況: 減少了20%的解題時(shí)間11 2015ANSYS, Inc.February 9, 2016總結(jié) ANSYS Forte 現(xiàn)在完全整合到ANSYS 軟件匯總 安裝, 注冊(cè), Workbench, 內(nèi)燃機(jī)工作流程, 可視化 17.0的主要新功能 自適應(yīng)求解器網(wǎng)格的生成 建立多達(dá)50種燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)庫(kù)，并可自動(dòng)進(jìn)行混合 對(duì)火花和火焰?zhèn)鞑ツＰ瓦M(jìn)行了提升 表現(xiàn), 可靠性和精度都進(jìn)行了全面提升1Fluent R17.0 產(chǎn)品提升UI設(shè)計(jì)和操作

15、過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化和更新 對(duì)圖標(biāo)進(jìn)行整合，顯著顯示常用圖標(biāo)和功能 提升并簡(jiǎn)化模型顯示、數(shù)據(jù)輸出、報(bào)告生成等計(jì)算收斂性、網(wǎng)格更新、求解器等都有所提升其他在技術(shù)、計(jì)算穩(wěn)定性和計(jì)算速度方面的提升計(jì)算模型方面均有所提升 反應(yīng)流計(jì)算的提升 湍流模型方面的提升 ANSYS Fluent 17.0有何改進(jìn)之處？2求解器驅(qū)動(dòng)過(guò)程Ribbon: 與 各主要workflow 實(shí)現(xiàn)交接Tree: A提供了各種可用模型5圖形顯示方面的提升 在 2D and 3D-正交顯示 可使用標(biāo)尺 坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄進(jìn)行了提升14收斂性方面的提升 在采用耦合求解器時(shí)默認(rèn)采用較粗略的收斂標(biāo)準(zhǔn) 全面提升收斂性格 對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量較差的算例提升尤其明

16、顯. 代數(shù)多重網(wǎng)格求解器現(xiàn)在自動(dòng)在線性系統(tǒng)中重新排序 可確保多區(qū)域網(wǎng)格的計(jì)算精確性 可通過(guò)(rpsetvar reorder/amg 0)命令取消No reorderingNot converged 200iterationsRCM reorderingConverged in 94 iterations27020406080100120反應(yīng)流計(jì)算方面的提升 CHEMKIN-CFD 求解器現(xiàn)在無(wú)需額外的許可證即可使用 與CHEMKIN 反應(yīng)機(jī)理完美結(jié)合 CHEMKIN-CFD使得詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)計(jì)算速度提高Chemkin-CFD_DCCR17-DI-CAR17-DIODE_求解迭代_求解30SD

17、ES / SBES 湍流模型混合 RANS-LES 模型相比于DDES和IDDES可提供更好結(jié)果 SDES模型 為DES 模型提供屏蔽功能 在網(wǎng)格優(yōu)化基礎(chǔ)上提升屏蔽性能 屏蔽功能融入到LES工況中 對(duì)網(wǎng)格的尺度和校準(zhǔn)進(jìn)行提升 SBES模型 根據(jù)SDES 屏蔽功能, 可實(shí)現(xiàn)從RANS模型到LES模型的轉(zhuǎn)換 提供屏蔽功能以清楚定義和顯示RANS區(qū)域和LES區(qū)域31SBES 應(yīng)用舉例平均和RMS 速度剖面（SBES 與 DDES十分接近）SBES 與試驗(yàn)結(jié)果吻合的更好（對(duì) RMS壁面溫度）計(jì)算速度33140,000120,000100,00080,00060,00040,00020,0000024,

18、57649,15273,72898,304122,880147,456Combustor_830M on CRAY XC30核數(shù) 某類燃燒室 8億3千萬(wàn)網(wǎng)格 由ANSYS技術(shù)團(tuán) 對(duì)構(gòu)造 物理特性 流場(chǎng) 能量 chemic化學(xué)反應(yīng) 無(wú) DPM 無(wú)燃燒從 768 到 129,024 核數(shù)（NERSC Edison XC30機(jī)群）129,024 cores90% efficiency41VOF: 改進(jìn)的非線性波系理論 對(duì)開口管道流場(chǎng)的Fenton波系理論 提升了對(duì)大角度波系的計(jì)算精度 更好的模擬波系相交于碰撞下頁(yè)展示案例42自由表面波形與新波系理論計(jì)算結(jié)果的比較( H/L = 0.12, kA = 0.377)NumericalAnalyticalt = 57s舊t = 140st = 200s新(與理論分析結(jié)果的對(duì)比)新波系理論49壁面氣膜計(jì)算方面的提升 拉格朗日壁面氣膜邊界條件可用Kuhnke 模型模擬Dry-splashregimeFilm-formati