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1、Temperature in a gas furnace,FLUENT中组分输运及化学反应（燃烧）模拟,热科学与能源工程系2003年10月,概要,应用燃烧模拟简介 化学动力学气相燃烧模型稀疏相燃烧模型 污染物排放模拟燃烧数值模拟步骤介绍,燃烧模拟,广泛应用与均相和非均相燃烧过程模拟燃烧炉锅炉加热器燃气轮机火箭发动机求解内容流场流动特性及其混合特性温度场组分浓度场颗粒和污染物排放,Temperature in a gas furnace,CO2 mass fraction,Stream function,燃烧模型概要,稀疏相模型,液滴/颗粒动力学非均相反应液化蒸发,输运控制方程,质量动量(湍流)
2、能量化学组分,燃烧模型,预混局部预混非预混燃烧,污染物模型,辐射换热模型,气相燃烧有限速率模型(Magnussen model)守恒标量的 PDF模型(一个或两个混合分数)层流火焰面（小火焰）模型(V5)Zimont model(V5)稀疏相模型湍流颗粒弥散随机轨道模型（Stochastic tracking）颗粒云团模型（Particle cloud model）(V5)粉煤与喷油燃烧子模型 辐射模型:DTRM,P-1,Rosseland 和Discrete Ordinates(V5)湍流模型:k-,RNG k-,RSM,Realizable k-(V5)and LES(V5)污染物排放模型
3、:NOx with reburn chemistry(V5)and soot,FLUENT提供的燃烧模型,模拟燃烧过程的化学反应动力学,难点与挑战多数实际的燃烧过程是湍流化学反应速率高度非线性;湍流化学反应高度耦合，相互作用很重要。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)实际处理方法简化化学反应机理有限速率燃烧模型考虑湍流及其混合、弱化反应化学混合分数模型平衡化学的 PDF模型层流火焰面模型进展变量模型Zimont 模型,有限速率模型,用总包机理反应描述化学反应过程.求解化学组分输运方程.求解当地时间平均的各个组分的质量分数,mj.组分
4、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:Rjk(第k 个化学反应生成或消耗的j 组分)是根据 Arrhenius速率公式、混合或涡旋破碎（EBU）速率的小值。.混合速率与涡旋寿命相关,k/.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。,Fluent燃烧模型,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。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
5、程 预混燃烧模型 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 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,有限化学反应速率模型设置,要求:给出组分及其物性给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据FLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息.如果用户需要给定个性化机理，则:生成新的混合物.改变已有混合物的物性/化学反应.,有限速率模型小节,优点:可以应用于nonpre
6、mixed,partially premixed和premixed combustion简单、直观应用广泛缺点: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).没有严格考虑湍流化学反应之间的相互作用问题不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响.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。.,守恒标量(混合物分数)模型:PDF 模型,只适应用于非预混(扩散)火焰燃烧假定化学反应过程受混合速率控制满足局部化学平衡.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.化学反应机理不明确.用化学平衡计算来处理化学反应(prePD
7、F).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.可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用,混合分数定义,混合分数,f,写成元素的质量分数形式: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。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.混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:组分输运方程中没有化学反应源项.,可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统,Fuel/air 扩散火焰:多氧化剂入口的扩散火焰:多燃料进口的扩散火焰:,60%CH4 40%CO,21%O2 79%N2,f=1,f=0,35%O2
8、 65%N2,60%CH4 40%CO,35%O2 65%N2,f=1,f=0,f=0,60%CH4 20%CO 10%C3H8 10%CO2,21%O2 79%N2,f=1,f=0,f=1,60%CH4 20%CO 10%C3H8 10%CO2,系统化学平衡假设,化学反应很快到达平衡.可以考虑中间组分.,PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用,Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function(PDF).p(V),the PDF,represents
9、 fraction of sampling time when variable,V,takes a value between V and V+V.p(f)can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction,f:Species mole fractionsTemperature,density,PDF Model Flexibility,非绝热系统:In real problems,with heat loss or gain,local thermo-che
10、mical state must be related to mixture fraction,f,and enthalpy,h.Average quantities now evaluated as a function of mixture fraction,enthalpy(normalized heat loss/gain),and the PDF,p(f).第二守恒标量:FLUENT用第二守恒标量可以模拟:Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream(visa versa)Nonreac
11、ting stream in addition to a fuel and an oxidizerCo-firing a gaseous fuel with another gaseous,liquid,or coal fuelFiring single coal with two off-gases(volatiles and char burnout products)tracked separately,混合分数/PDF模型小节,优点:可以计算中间组分.考虑分裂影响.考虑湍流化学反应之间作用.无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量性能好，经济缺点:系统必须满足（靠近）局部平衡.
12、不能用于可压速或非湍流流动.不能用于预混燃烧.,层流火焰面模型,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。对于混合分数 PDF 模型(绝热),热化学状态只是 f 的函数c 与当地应变率有关,把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非平衡燃烧模拟中用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰,对撞扩散火焰,层流火焰面模型(2),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函数只适合绝热系统（FLUENT V5）Import strained flame calculatio
13、nsprePDF or Sandias OPPDIF codeSingle or multiple flameletsSingle:user specified strain,aMultiple:strained flamelet library,0 a aextinctiona=0 equilibriuma=aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishesPossible to model local extinction pockets(e.g.lifted flames),预混燃烧的Zimont模型,用单个过
14、程变量来模拟热化学过程,平均反应速率,湍流火焰传播速度,Ut,根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑预混燃料当量比湍流引起的火焰前锋皱折和增厚湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄分子扩散适合绝热燃烧,非绝热燃烧必须求解焓方程,稀疏相模型,在拉格朗日坐标系下，求解颗粒、液滴、气泡的轨道.并与连续相（气相）进行热、质量和动量的耦合求解。稀疏相体积分数必须 10%质量分数可以比较高不考虑颗粒之间作用、颗粒破碎模拟湍流弥撒随机轨道（Stochastic tracking）颗粒云团模型（Particle cloud(V5)）Rosin-Rammler or linear size distribution非定常流动中的
15、颗粒轨道(V5)模拟颗粒分离,喷雾烘干,液体燃料或煤粉的燃烧过程。.,Monte-Carlo方法模拟湍流颗粒弥散(discrete random walks)颗粒运动计算中考虑气体的平均速度及随机湍流脉动速度的影响。每个轨道包含了一群具有相同特性的颗粒，如相同的初始直径，密度等.考虑湍流弥散尤为重要更复合真实物理过程，但计算量更大。可以通过光滑源项、消除与气相的耦合来强化计算稳定性；,颗粒弥散:随机轨道模型,Coal particle tracks in an industrial boiler,颗粒弥散:颗粒云团模型,用平均速度决定颗粒的平均轨道假定该平均轨道为 3D多变量的 Gaussia
16、n 分布，计算颗粒偏离的范围（3倍标准偏差）Rigorously accounts for inertial and drift velocitiesA particle cloud is required for each particle type(e.g.initial d,r etc.)Particles can escape,reflect or trap(release volatiles)at wallsEliminates(single cloud)or reduces(few clouds)stochastic trackingDecreased computational
17、expenseIncreased stability since distributed source terms in gas phaseBUT decreased accuracy sinceGas phase properties(e.g.temperature)are averaged within cloud Poor prediction of large recirculation zones,非定常流动的颗粒轨道模拟,Each particle advanced in time along with the flowFor coupled flows using implici
18、t time stepping,sub-iterations for the particle tracking are performed within each time stepFor non-coupled flows or coupled flows with explicit time stepping,particles are advanced at the end of each time step,煤/油燃烧模型,变化模型可以模拟煤或油燃烧lDroplet 油燃烧模拟Combusting particle 煤燃烧模拟Several devolatilization and
19、char burnout models provided.Note: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.,NOx Models,NOx 中含量最多的是一氧化氮(NO).引起烟雾引起酸雨导致臭氧损耗NOx 排放有三个机理:热机理（Thermal Nox）-Zeldovich
20、 mechanism(氧化空气中的 N)高温燃烧最明显快速机理（Prompt NOx）-De Soete,Williams提出的经验机理.通常该机理对Nox排放量影响较小富燃燃烧区域该机理有明显作用燃料 NOx 机理-De Soete,Williams等人提出的经验机理.在煤燃烧中，燃料中含N高，并且燃烧温度不是很高时起作用。NOx 再燃(V5)在燃料富足的燃烧区域，NO会与碳氢化合物反应，使得NO 减少,烟（Soot）模型,两种烟模型:One-step 模型(Khan and Greeves)1个输运方程，烟质量分数Two-Step 模型(Tesner)Transport equations
21、 for radical nuclei and soot mass fraction concentrationsSoot 生成采用经验公式其中,C,pf,和 F 是模型常数,燃料分压力和当量比。采用Magnussen模型计算 Soot 燃烧(消耗)Soot 对辐射的影响激活Soot面板上的Soot-Radiation 选项,燃烧模拟步骤及求解策略,打开求解器（2D或3D）检查物理模型适用性网格分辨率需求(resolve shear layers)求解参数、收敛条件设置边界条件燃烧经常对进口边界条件十分敏感正确的进口标量和速度的分布很难估计壁面热条件；尽可能优先给定边界温度，很难给定对流换热或
22、者辐射换热量 初始条件稳态解跟初始值无关，但给的初始值不好，由于各个方程之间不和谐和输运方程的非线性，导致解分歧或发散不收敛。先求解冷态流动、接着气体燃烧、颗粒燃烧、再考虑辐射；对于强旋流动，渐渐增加旋流速度；,燃烧模拟步骤及求解策略（2）,低松弛因子松弛因子改变对结果影响是高度非线性的采用混合分数PDF模型时，密度采用低松弛(0.5)考虑浮力流动中，速度采用低松弛因子高速流动中压力采用低松弛因子一旦解较为稳定,尽可能让松弛因子提高到系统默认值(温度，0.9；P是1；旋流速度，组分（混合分数）也是1或接近1。离散化开始用一阶精度,收敛后用二阶精度提高求解精度对于三角形或四面体网格，二级精度离散
23、尤为关键离散相模拟 增加稳定性,增加随机轨道数目(或者采用颗粒云团模型)低松弛因子，增加每次耦合计算中颗粒相计算后气相叠代次数,燃烧模拟步骤及求解策略(3),Magnussen 模型默认设置 finite rate/eddy-dissipation(Arrhenius/Magnussen)对于非预混(扩散)火焰，关掉有限速率模型对于预混火焰，应该采用Arrhenius项，使得反应物不至于过早燃烧。需要高温点火，保证反应进行（initialization/patch）考虑比热 Cp随温度变化，以便计算的温度不至于过高而不切合实际。混合分数 PDF 模型如果符合该模型假设，可以选用该模型建表中要保
24、证有足够多的点以便保证插值精度，同时要不影响计算时间。采用beta函数 PDF,燃烧模拟步骤及求解策略(4),湍流开始用 标准k-e 模型收敛后转变为RNG k-e,Realizable k-e 或 RSM，可以与实验结果比较、也可以比较结果受湍流模型的影响情况收敛判断一般变量残差小于 10-3，温度、P-1 和组分的残差要小于10-6 The mass and energy flux reports must balance监视和检查所关心的变量(如：出口平均温度)检查变量的等值线图是否光滑、合理及稳定不变。,小节,FLUENT V5 用于模拟燃烧的优点在于：一组较好的燃烧模型 方便、易用数据库包含了机理与物性参数 网格与求解方案可以自由调节FLUENT可以求解多数的工程实际燃烧问题.留意选择的物理模型是否合适于实际需要模拟的燃烧过程.,
