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1、FLUENT中的反应流模型,Introductory FLUENT Training,大 纲,基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型涡耗散模型(EDM)预混模型非预混模型部分预混模型有限速率化学模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层流小火焰其它模型污染物行成模型(Pollutant Formation Models)表面反应附录,Temperature in a Gas Furnace,CO2 Mass Fraction,Stream Function,反应流系统应用,FLUENT 化学反应模型可以应用于很大范围内的均匀和非均匀反应流。熔炉锅
2、炉加热器燃气涡轮火箭发动机可以预估流场和混合特征温度场介质浓度微粒和污染物（pollutants）,反应流模拟的难点,湍流大多数工业产生的流体流动都是湍流。因为具有很大的时间和空间尺度，所以对非反应湍流和反应湍流，DNS方法并不适用。化学现实中的化学反应不能使用单一的反应方程来表示。十几种组分，可能有上百种反应。只有有限数量的燃料知道反应细节。反应时间尺度范围大湍流和化学间的交互作用化学反应速率的变化和湍流中物质混合程度有十分密切的关系。,燃烧中的化学动力学模拟,简化化学模型(使用有限速度/涡耗散方法).考虑全局的化学反应原理。化学反应与湍流混合过程分离考虑（使用混合比方法）平衡化学 PDF模
3、型层流火焰模型部分预混模型模拟详细化学反应(占资源)需要特别小的时间步长来满足数值的稳定性和收敛性 使用stiff solver 将可以允许稍大的时间步长。,反应流模拟总览,输运控制方程质量动量湍流能量化学组分,离散相模型液滴/质点 动力学异相化学反应液化作用蒸发作用,反应模型快速化学反应有限速率化学反应预混部分预混非预混,污染物模型(NOx,烟灰等.),辐射模型,反应系统定义,反应系统可以分成两类同相反应反应物与产物同相。异相反应反应物与产物不同相。表面沉积的化学物质被认为与相同组分的气相物质不同。沉积率同时受化学动力学和组分扩散率影响。壁面反应是产生体相中化学物质的来源，而且决定了表面的沉
4、淀比例。表面反应：CVD,催化反应,同相反应,非预混反应系统 反应物从火焰的两边对流/扩散进入。可以简化成混合问题。湍流旋涡扰动层流火焰形状加强了混合。预混反应系统传播速率（火焰速度）取决于内部火焰结构。比非预混燃烧问题更难建模。湍流扰动层流火焰形状，加速火焰传播。部分预混反应系统反应系统包括非预混和预混流。,反应流问题的特征,反应流问题通过一系列无量纲变量来表示。两种最重要的无量纲变量是Reynolds 数和 Damkhler 数。Reynolds数,U,L,分别是密度，速度，特征长度和动力粘性系数高雷诺数将表现为湍流Damkhler数高Damkhler数（Da1）表示需要使用气相湍流燃烧模
5、型。,反应流问题的特征,马赫数Mach number高马赫数(Ma 0.3)表示可压缩性表现明显。对于低马赫数流动，可以使用非预混模型。Boltzmann数 高Boltzmann数表示对流是主要的传热形式。当Bo10时，需要考虑辐射传热。,Stefan-Boltzmann constant5.67210-8 W/m2K4,Local speed of sound(sonic velocity),*Rate classification not truly applicable since species mass fraction is not determined.,CHEMISTRY,FL
6、OW CONFIGURATION,FLUENT中反应流模型概览,涡耗散使用1步或者2步总包（热扩散）反应原理.化学反应速率由湍流混合速率决定。有限速率项选择预混合火焰。非预混模型使用混合物比例和假定的PDF替代求解化学平衡中的物质输运和反应比例方程。层流小火焰模型用于中等的非平衡化学反应。预混模型使用反应程序.c文件建立化学反应。湍流火焰速度闭合-Zimont模型。部分预混合联合非预混和预混模型。两种模型都假设成立。涡耗散概念(EDC)为湍流火焰建立湍流/化学交换作用的模型。包括详细的化学反应。PDF传输模型比EDC模型更加严格的考虑湍流-化学之间的相互作用。考虑更充分，但也占用更多的计算机资
7、源!,同相（气相）燃烧模型,基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型涡耗散模型(EDM)预混模型非预混模型部分预混模型有限速度化学模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层流小火焰其它模型污染物行成模型(Pollutant Formation Models)表面反应附录,大 纲,涡耗散模型(EDM),适用条件流域：湍流(高雷诺数)化学：快速化学反应(高Da)构造：预混/非预混/部分预混案例：气体反应煤燃烧限制条件当混合和运动时间尺度大小相似时(Da 1)，结果不可靠。不能预测中间组分和离解效果。不能模拟动力学细节现象，比如点火，熄火和低Da数流。求
8、解物质输运方程，湍流混合控制反应速率。,预混燃烧模型,适用条件：流域：湍流(高雷诺数)化学：快速化学反应(高Da数)构造：只有预混气流案例：预混合反应流系统贫氧预混燃气涡轮燃烧室限制条件不能模拟化学动力学中的细节（比如点火，熄火和低Da数流动）。使用反应进展变量追踪火焰前沿轨迹(Zimont模型)。,非预混平衡模型,适用条件流域：湍流(高雷诺数)化学：快速化学反应(高Da),假定平衡环境构造：只有非预混合案例气体反应（熔炉，火炉）。对于需要模拟中间产物浓度和离解效应的问题，那么采用这种模型是个较好的选择，不需要知道详细的化学反应速率。限制条件当混合和运动时间尺度大小相似时(Da 1)，结果不可
9、靠。不能模拟化学动力学细节现象（比如点火，熄火，低Da数流动）。求解输运方程中的混合分数和混合分数变化。(不是单独的物资方程)。,部分预混燃烧模型,适用条件流域：湍流(高雷诺数)化学：平衡或者适度的非平衡（火焰）构造：只有部分预混合案例有冷却孔的燃气涡轮燃烧室。同时有预混和非预混流的系统。限制条件当混合和运动时间尺度大小相似时(Da 1)，结果不可靠。不能模拟化学动力学细节现象（比如点火，熄火，低Da数流动）。部分预混模型中，结合了反应进度变量和混合分数方法。输运方程需要求解反应进度变量，混合分数和混合分数变化。,大 纲,基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型涡耗散模型(EDM)预
10、混模型非预混模型部分预混模型有限速度化学模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层流小火焰其它模型污染物行成模型(Pollutant Formation Models)表面反应附录,详细化学反应模型,详细化学反应的控制方程一般难以求解：上十种物质上百种反应反应时间尺度间的差别较大详细化学动力学建模：火焰点燃和熄灭污染物(NOx,CO,UHCs)慢化学反应(非平衡)液体间反应可用的模型：层流有限速率涡耗散概念模型(EDC)PDF 输运动力学模型(需要附加的license)CHEMKIN-格式的反应机理和热物理性质，可以直接输入。FLUENT 使用In-Situ
11、 Adaptive Tabulation(ISAT)算法加速计算（可以用于层流，EDC,PDF输运模型）。,层流有限速率模型,适用条件流域：层流(低雷诺数)化学：有限速率化学反应构造：预混/非预混/部分预混案例层流扩散火焰。煤气炉中的层流预混合火焰。限制条件需要占用较多的CPU资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。一般不适合湍流燃烧模型。层流有限速率模型需要使用刚性化学求解器（stiff chemistry solver）(pressure和density求解器都有效)。,涡耗散概念模型(EDC),适用条件：流域：湍流(高雷诺数)化学：有限速率化学反应构造：预混/非预混/部分预混案例：湍流反
12、应流中的有限速率化学反应CO的缓慢燃烧NOx 形成限制条件：需要占用很多的CPU资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。（附录中有详细说明）。EDC模型是涡耗散模型在湍流中模拟有限速率化学反应的扩展。,PDF输运模型,适用条件：流域：湍流(高雷诺数)化学：有限速率化学反应构造：预混/非预混/部分预混案例：湍流反应/燃烧流，预混有限速率现象，例如CO和NOx的形成液体间的反应限制条件PDF输运模型使用了蒙特卡洛方法，十分占用计算机资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。湍流火焰加入了有限速率化学反应，使用了复合概率密度函数（PDF）输运模型。比EDC模型更严格使用蒙特卡洛方法,定常和非定常小火焰
13、模型,适用条件：流域：湍流(高雷诺数)化学：由于空气动力学约束形成的适度非平衡构造：只有非预混合 案例：预测喷流火焰内燃机（只有柴油机非定常火焰子模型）液体间的反应(非定常火焰子模型)限制条件定常方法不能模拟详细化学动力学中的实际现象(比如点火，熄火和低Da数流)。层流火焰模型中，解算出输运方程中的混合分数变化。为考虑非平衡效果，计算了梯度扩散（火焰应变比例）。,Flameletstructure,大 纲,基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型涡耗散模型(EDM)预混模型非预混模型部分预混模型有限速度化学模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层
14、流小火焰其它模型污染物行成模型(Pollutant Formation Models)表面反应附录,污染物形成模型,NOx 形成模型(定性预测NOx 形成趋势).FLUENT 包括三种计算NOx 产物的反应模型Thermal NOx Prompt NOxFuel NOxNOx 再燃烧模型选择Non-Catalytic Reduction(SNCR)模型烟灰形成模型一步和两步模型烟灰影响辐射吸收(在 Soot 面板中选择Soot-Radiation选项)SOx 形成模型求解SO2,H2S的附加方程,以及 SO3 附加方程可选。通常，SOx预测是个后处理过程。,表面反应,化学物质沉淀在表面，和气体
15、中相同的化学物质有个明显的分界。每个表面吸附（或者点）物质都要求解点平衡方程。可以考虑详细的表面反应机理(任意数量的反应步和任意数量的气体相或/和点物质)。CHEMKIN格式的表面化学反应机理可以导入。表面反应可以发生在壁面或者多孔介质上。不同的表面反应机理可以运用在不同的表面。案例催化反应CVD,Outline,基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型涡耗散模型(EDM)预混模型非预混模型部分预混模型有限速度化学模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层流小火焰其它模型离散相模型(DPM)污染物行成模型(Pollutant Formation M
16、odels)表面反应附录,附 录,涡耗散模型(EDM),估计平均反应率（物质k），Rk 模型。使用eddy-breakup model模拟反应率假设化学反应比湍流混合化学物质进入火焰的速度快得多。(Da 1)燃烧完全通过湍流混合比例控制，湍流混合比例是指大涡存在时间标量比例,k/。总包反应（一步或两步）每种物质都需要解算雷诺（时间）平均物质质量分数方程。有限比例/涡耗散选项反应率是Arrhenius比例和涡耗散比例的最小值。,非预混模型,湍流中无限快速反应，当油和氧化剂混合（有限的混合）的时候，瞬间达到化学反应平衡。物质和焓输运方程合并成为单一的混合分数守恒方程，f，它满足下列假设条件：物质扩
17、散系数相等Species diffusion coefficients are equal每种物质的Lewis 数必须一致相等中等马赫数混合分数可以直接和物质质量分数，混合密度，混合温度相关。这些关系称作瞬间（不是时间平均的）数据。使用概率密度函数把瞬间数据转变成为时间平均数据（湍流反应流模拟预估时间平均属性）。,复合概率密度函数（PDF）输运模型用来模拟湍流焰中的有限速率化学反应。比EDC模型更严格可以从PDF中通过下式计算出平均反应率：PDF输运方程有十分高的维度，而且不能用有限体积方法求解，是通过蒙特卡洛方法解算的。,复合PDF输运模型,In-Situ Adaptive Tabulati
18、on(ISAT)算法,初衷当使用详细化学反应模型（EDC，综合PDF，层流有限比例）时，每个单元（或者每个粒子）在每步迭代都需要求解刚性反应系统（ODE的集合）需要一种高效的方法获得只关心部分的数据。In-situ adaptive tabulation(ISAT)方法可以加快反应表格的生成和数据的查看。优点避免重复的数值积分，节省了计算机CPU的计算时间。初始迭代比较慢（表格正在建立），但是计算在加速运转中。适用条件ISAT 可以使用于 PDF输运,EDC,和层流有限比例模型,NOx 模型,NOx 由氮的氧化物组成，对环境有害FLUENT 有三种计算NOx 产生的机理。Thermal NOx
19、 高温时十分有效Prompt NOx在富燃区有效Fuel NOx燃料中氮的含量高而且温度也相对较低时使用User-defined functionNOx 再燃NO 可以通过和富含燃料区域中的碳氢化合物反应而减少。Non-Catalytic Reduction(SNCR)模型。NOx 形成的定性预测,示例,富燃，预混火焰EDCPDF传输层流有限速率IFRF 旋涡煤粉火焰详细化学反应模型DPM辐射GE LM-1600 燃气涡轮燃烧室非预混，层流小火焰温度和燃料NOx 预测D形西瓜火焰（Sandia Flame D）非预混湍流扩散火焰EDC/PDF 传输比较催化燃烧表面反应多孔介质,案例学习:富燃预
20、混合火焰,富燃预混合预蒸发（LPP）丙烷/空气火焰减少燃烧污染物(CO 和NOx)的扩散轴对称火焰管几何量d=10.25 cm,L=42.92 cm丙烷/空气混合物V=25 m/s,T=800 K火焰稳定段51%open area,Propane/air,7,056 quad elements,*D.N.Anderson,NASA Lewis Research Center,NASA-TM-X-71592,March 1975.,富燃预混合火焰,湍流化学相互作用弱完全预混合火焰区薄化学反应正好在火焰阵面之后发生丙烷详细的化学机理NO 和 N2O 形成的Kundu机理17 种物质和23步反应有限
21、速率化学燃烧模型层流有限速率模型完全忽略湍流-化学间的相互影响。EDC 模型 可能导致NOx的低预测反应发生非常快，而且NOx只有很少的时间累积复合PDF输运正确模拟湍流-化学相互作用,*K.P.Kundu et al.,NASA Lewis Research Center,AIAA Paper No.98-3986,July 1998,PDF model,Laminar Finite-Rate Model,EDC model,富燃预混合火焰 温度云图,IFRF旋涡煤粉火焰,IFRF 工业生产规模的电炉1997年，Peters和Weber 进行的模拟仿真，“建立2.4兆瓦的旋涡煤粉火焰数学模型
22、,”Combustion Science and Technology,122,131 Ref.1,Exhaust,7 Cooling loops,Measurement Locationsz=0.25 m,z=0.85 m,InletSwirl Number=0.923Flow Rate=2684 kg/hrCoal flow rate=263 kg/hrCoal+transport air=421 kg/hr,1/4 Geometry,网 格,三维周期的四分之一几何模型非结构六面体网格自适应前7万单元对靠近入口区域自适应后有26万单元最大的网格扭曲度是 0.53,气相燃烧模拟,Contou
23、rs of Mean Temperature(K),离散相,Gottelborn hvBb 煤起始(重量%,干燥)挥发物 55.0,固定碳 36.7,灰 8.3最终(重量%,daf)80.36 C,5.08 H,1.45 N,0.94 S,12.17 O.较低的生热值(LCV,MJ/kg daf)挥发物 32.3,烧焦 32.9Rosin-Rammler 大小分布最小1 m,最大300 m,平均45 m,带宽1.36单比例 devolatization模型A=2105 s-1E=7.4107 J/kmolKinetics/diffusion-limited 表面燃烧随机轨道模型每步DPM迭代2
24、1600轨迹,10 个粒子大小每步DPM迭代中进行25种气相迭代,温度/组分结果,平均温度(K),平均 NO(ppm,dry),GE LM-1600燃气涡轮燃烧室,Courtesy Nova Research and Technology Corp.,Calgary,Canada非预混合,天然气12.8 MW,19:1 压力比(全负荷)环形燃烧室,18个喷嘴,Swirl vanes,Fuel inlet nozzles,Dilution air inlets,气相燃烧模拟,Contours of Mean Temperature(K),NOx 模拟,Thermal and fuel NOx,C
25、ontours of Mean NO(ppm,wet),NOx 模拟,NO出口流量vs.燃烧室负荷,D形西瓜火焰-PDF 输运,试验非预混合甲烷，湍流扩散火焰D形西瓜火焰几何2352个矩形网格单元的轴对称网格湍流标准k，其中C1=1.52,，ScT=1.0 混合使用C=2，IEM和修正Curl化学16种组分,Red symbol:Experiment,Blue solid line:Modified Curl,Green dashed line:IEM,Mean Temperature,RMS Temperature,Mean CO,催化燃烧,单通道模拟:在壁面发生的反应二维轴对称几何整体模拟
26、:假设整体为多孔介质多孔介质中考虑压力下降和流体加速多孔介质中有反应的发生(指定表面体积比)二维轴对称几何,单通道,L=10 cm,D=2 mm,CH4 air,Platinum CatalystT=1290 K,模型设置 单通道,边界条件:体积分数:3%CH4入口流速:5 m/s入口温度:600 K气相物质:CH4,O2,H2,H2O,CO,CO2,N2,OH表面物质:Pt(s),H(s),O(s),OH(s),H2O(s),H3(s),CH2(s),CH(s),C(s),CO(s),CO2(s),主要气体组分质量分数云图,H2/CH4 催化燃烧边界条件:入流组分Air/CH4/H2 mixture入流速度 0.8 m/s入流温度 300K10种气体物质和12种点物质绝热边界条件二维轴对称,Inlet,Outlet,Reacting zone-catalyst,多孔介质中的表面反应(多通道),温度vs.摩尔分数,计算结果,Inlet methane feed 1.5%CH4 mole fraction contour,Inlet methane feed 3.0%CH4 mole fraction contour,
