FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟[1]PPT文档格式.ppt

1、湍流化学反应高度耦合，相互作用很重要。l真实化学反应机理包含数十个组分,数百个基元反应，并且方程组极具刚性（基元化学反应时间尺度相差大）u实际处理方法l简化化学反应机理n有限速率燃烧模型l考虑湍流及其混合、弱化反应化学n混合分数模型s平衡化学的 PDF模型s层流火焰面模型n进展变量模型sZimont 模型燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质有限速率模型u用总包机理反应描述化学反应过程.u求解化学组分输运方程.l求解当地时间平均的各个组分的质量分数,mj.u组分 j的源项（产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应速率:uRjk（第k 个化学反应生成或消耗的j 组分）是根据 A

2、rrhenius速率公式、混合或涡旋破碎（EBU）速率的小值。.u混合速率与涡旋寿命相关,k/.l物理意义是湍流涡旋是决定化学反应的首要因素。对于非预混燃烧，湍流涡旋决定了组分混合；对于预混燃烧湍流决定了热输运（高温加热低温）。即：化学反应决定于湍流混合组分（非预混燃烧）和热量（预混燃烧）的速率。燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质Fluent燃烧模型u有限速率模型有限速率模型 求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定义。u非预混燃烧模型非预混燃烧模型 该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者两个守恒标量（混合分数）的输运方程 u预混燃烧模型预混燃烧

3、模型 模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰前锋分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置 u部分预混燃烧模型部分预混燃烧模型 该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。该方法同时求解了混合分数和反应进展变量 燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质有限化学反应速率模型设置u要求:l给出组分及其物性l给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据uFLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据u对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息.u如果用户需要给定个性化机理，则:l生成新的混合物.l改变

4、已有混合物的物性/化学反应.燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质有限速率模型小节u优点:l可以应用于nonpremixed,partially premixed和premixed combustionl简单、直观l应用广泛u缺点:l不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应（要求 Da 1）.l没有严格考虑湍流化学反应之间的相互作用问题l不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响.l模型常数不确定,特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模型常数通用性较差。.燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质守恒标量（混合物分数）模型:PDF 模型u只适

5、应用于非预混（扩散）火焰燃烧u假定化学反应过程受混合速率控制l满足局部化学平衡.l控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程度.u化学反应机理不明确.l用化学平衡计算来处理化学反应（prePDF）.u只求解混合物分数及其方差的输运方程,无需求解组分的输运方程.u可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质混合分数定义u混合分数,f,写成元素的质量分数形式:l其中，Zk 是元素k的质量分数；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口流处的值。u对于简单的 fuel/oxidizer系统,混合物分数代表计算控制体里的燃料质量分数.u混合物

6、分数是守恒标量（conserved scalar）:l组分输运方程中没有化学反应源项.燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统uFuel/air 扩散火焰:u多氧化剂入口的扩散火焰:u多燃料进口的扩散火焰: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%C3H8 10%CO2燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热

7、传质系统化学平衡假设u化学反应很快到达平衡.u可以考虑中间组分.燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用uFluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function（PDF）.up（V）,the PDF,represents fraction of sampling time when variable,V,takes a value between V and V+V.up（f）can be used t

8、o compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction,f:lSpecies mole fractionslTemperature,density燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质PDF Model Flexibilityu非绝热系统:lIn real problems,with heat loss or gain,local thermo-chemical state must be related to mixture fraction,f,and enthalpy

9、,h.lAverage quantities now evaluated as a function of mixture fraction,enthalpy（normalized heat loss/gain）,and the PDF,p（f）.u第二守恒标量:lFLUENT用第二守恒标量可以模拟:nTwo fuel streams with different compositions and single oxidizer stream（visa versa）nNonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizernCo-firi

10、ng a gaseous fuel with another gaseous,liquid,or coal fuelnFiring single coal with two off-gases（volatiles and char burnout products）tracked separately燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质混合分数/PDF模型小节u优点:l可以计算中间组分.l考虑分裂影响.l考虑湍流化学反应之间作用.l无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量l性能好，经济u缺点:l系统必须满足（靠近）局部平衡.l不能用于可压速或非湍流流动.l不能用于预

11、混燃烧.燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质层流火焰面模型u用混合分数和标量耗散率来求解（绝热）温度、密度和组分等量。l对于混合分数 PDF 模型（绝热）,热化学状态只是 f 的函数lc 与当地应变率有关u把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非平衡燃烧模拟中u用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰,对撞扩散火焰燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质层流火焰面模型（2）u用指定概率密度函数（PDF）P（f,c）的方法来决定层流火焰面系综。假定的概率包括计算为：Pf（f）Pc（c）,其中，Pf（f）用Beta 函数，Pc（c）用delta函数u只适合绝热系统（FLU

12、ENT 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 flame extinguishesuPossible to model local extinctio

13、n pockets（e.g.lifted flames）燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质预混燃烧的Zimont模型u用单个过程变量来模拟热化学过程,u平均反应速率,u湍流火焰传播速度,Ut,根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑l预混燃料当量比l湍流引起的火焰前锋皱折和增厚l湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄l分子扩散u适合绝热燃烧,u非绝热燃烧必须求解焓方程燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质稀疏相模型u在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、气泡的轨道.l并与连续相（气相）进行热、质量和动量的耦合求解。u稀疏相体积分数必须 10%l质量分数可以比较高l不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎u模拟湍流弥撒l随机轨道（Stochastic tracking）l颗粒云团模型（Particle cloud（V5）uRosin-Rammler or linear size distributionu非定常流动中的颗粒轨道（V5）u模拟颗粒分离,喷雾烘干,液体燃料或煤粉的燃烧过程。.计算连续相流动场计算颗粒轨道更新连续相源项燃烧热科学与能源工程系2003年10月计算流体与传热传质uMonte