fluent燃燒簡介

1、FLUENT燃燒簡介 FLUENT軟件中包含多種燃燒模型、輻射模型及與燃燒相關(guān)的湍流模型，適用于各種復(fù)雜情況下的燃燒問題，包括固 體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機中的燃燒過程、燃氣輪機中的燃燒室、民用鍋爐、工業(yè)熔爐及加熱器等。 1.1 FLUENT燃燒模擬方法概要燃燒模型是FLUENT軟件優(yōu)于其它CFD軟件的最主要的特征之一。FLUENT可以模擬寬廣范圍內(nèi)的燃燒問題。然而，需要注意的是：你必須保證你所使用的物理模型要適合你所研究的問題。FLUENT在模擬燃燒中的應(yīng)用可如下圖所示：圖 1 FLUENT模擬過程中所需的物理模型1.1.1 氣相燃燒模型 一般的有限速率形式(Magnussen模型)守恒標

2、量的PDF模型(單或二組分混合分數(shù))層流火焰面模型(Laminar flamelet model)Zimount 模型1.1.2 離散相模型 煤燃燒與噴霧燃燒 1.1.3 熱輻射模型 DTRM，P-1，Rosseland 和 Discrete Ordinates 模型 1.1.4 污染物模型NOx模型，煙(Smoot)模型2.1氣相燃燒模型·在FLUENT中，針對不同的燃燒現(xiàn)象，采用了不同的化學(xué)動力學(xué)處理手段，以減少計算成本，如下：有限速率燃燒模型-預(yù)混、部分預(yù)混和擴散燃燒混合分數(shù)方法(平衡化學(xué)的PDF模型和非平衡化學(xué)的層流火焰面模型)-擴散燃燒反應(yīng)進度方法(Zimont模型)-預(yù)混

3、燃燒 混合物分數(shù)和反應(yīng)進度方法的結(jié)合-部分預(yù)混燃燒 2.2.1 有限速率模型 化學(xué)反應(yīng)過程一般采用總包機理(即簡化化學(xué)反應(yīng)，如單步反應(yīng))進行描述。 求解積分的輸運方程，得到每種組分的時均質(zhì)量分數(shù)值，如下： -(1) 其中組分j的反應(yīng)源項為所有反應(yīng)K個反應(yīng)中，組分j的凈生成速率：-(2) -(3) 計算所需參數(shù)包括：1、組分及其熱力學(xué)參數(shù)值；2、反應(yīng)及其速率常數(shù)值。有限速率模型的有缺點：優(yōu)點：適用于預(yù)混、部分預(yù)混和擴散燃燒，簡單直觀；缺點：當混合時間尺度和反應(yīng)時間尺度相當時缺乏真實性，難以解決化學(xué)反應(yīng)與湍流的耦合問題，難以預(yù)測反應(yīng)的中間組分，模型常數(shù)具有不確定性。 這種模型求解反應(yīng)物和生成物輸運

4、組分方程，并由用戶來定義化學(xué)反應(yīng)機理。反應(yīng)率作為源項在組分輸運方程中通過阿累紐斯方程或渦耗散模型。 應(yīng)用領(lǐng)域：該模型可以模擬大多數(shù)氣相燃燒問題，在航空航天領(lǐng)域的燃燒計算中有廣泛的應(yīng)用。2.2.2守恒標量的PDF模型守恒標量的PDF模型僅適用于擴散(非預(yù)混)燃燒問題，該方法假定了反應(yīng)是受混合速率所控制，即反應(yīng)已經(jīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)，每個單元內(nèi)的組分及其性質(zhì)是由燃料和氧化劑的湍流混合強度所控制，其中涉及的化學(xué)反應(yīng)體系由化學(xué)平衡計算來處理(利用FLUENT的組件程序PrePDF)。該方法通過求解混合物分數(shù)及其方差的輸運方程獲得組分和溫度場，而不是直接求解組分和能量的輸運方程。-(4)-(5)其中-(6

5、)混合分數(shù)定義-(7) 其中Zk代表元素k的元素質(zhì)量分數(shù)，下標F和O分別代表燃料和氧化劑的進口值。對于簡單的燃料/氧化劑體系，每一計算單元內(nèi)的混合物分數(shù)代表了該單元內(nèi)的燃料質(zhì)量分數(shù)，由于混合物分數(shù)是守恒標量，因此在求解輸運方程時不再考慮反應(yīng)源項。在該方法中，化學(xué)反應(yīng)認為足夠快，體系中的組分立刻達到平衡狀態(tài)?；瘜W(xué)平衡組分在混合物空間的分布可示意如下：化學(xué)反應(yīng)和湍流之間的相互作用采用概率密度函數(shù)(PDF)的方法處理：上圖代表了概率密度函數(shù)p(V)的定義，因此在混合物分數(shù)空間，f標量的時均值可由下式計算：守恒標量PDF模型的優(yōu)缺點：優(yōu)點：可以預(yù)測中間組分的濃度，可以考慮流動中的耗散現(xiàn)象，可以考慮化學(xué)

6、反應(yīng)與湍流之間的相互作用，該方法不需要求解大量的組分和能量的輸運方程，因此可以縮短計算時間。缺點：研究的流動體系必須接近于局部化學(xué)平衡狀態(tài)，且不能用于非湍流流動，同時亦不能處理預(yù)混燃燒問題。 該模型不要求用戶顯式地定義反應(yīng)機理，而是通過火焰面方法(即混即燃模型)或化學(xué)平衡計算來處理，因此比有限速率模型有更多的優(yōu)勢。應(yīng)用領(lǐng)域：該模型應(yīng)用于非預(yù)混燃燒（湍流擴散火焰），可以用來計算航空發(fā)動機的環(huán)形燃燒室中的燃燒問題及液體/固體火箭發(fā)動機中的復(fù)雜燃燒問題。2.2.3 層流火焰面模型層流火焰面模型的基本思想是把湍流擴散火焰看作是層流對撞擴散火焰面的系統(tǒng)。該方法可以看作是守恒標量PDF模型的一個擴展，它可

7、用于處理非化學(xué)平衡狀態(tài)的體系，即可以利用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的方法處理反應(yīng)流。不同于守恒標量的PDF模型，標量是混合物分數(shù)和標量耗散率的函數(shù)，而非混合物分數(shù)的函數(shù)：-(8)指定混合物分數(shù)f的PDF符合函數(shù)分布，標量耗散率的PDF符合狄拉克-函數(shù)分布，因此，時均標量值可以通過在f和空間求標量的統(tǒng)計平均來得到(即，考慮化學(xué)反應(yīng)與湍流的相互作用)：-(9)層流火焰面模型的計算過程如下：1、 計算不同標量耗散率下，標量在混合物分數(shù)f空間的分布，即求解火焰面方程，組分方程為：-(10)能量方程為：-(11)從而得到標量隨混合物分數(shù)和標量耗散率的變化關(guān)系，即式(8)，并以火焰面數(shù)據(jù)庫文件的形式保存結(jié)果。2、 火

8、焰面數(shù)據(jù)庫文件也可由其它軟件生成，若得到的庫文件為單標量耗散率，則需計算不同標量耗散庫的庫文件，最后將它們合并。3、 利用(9)式計算火焰面的PDF庫，從而得到時均標量隨平均混合物分數(shù)和平均混合物方差的變化關(guān)系。4、 利用求解平均混合物分數(shù)及其平均方差的輸運方程的方法，在流場中計算這兩個量，然后再利用得到的PDF庫查找時均標量值。2.2.4 預(yù)混燃燒的Zimont模型湍流預(yù)混燃燒的化學(xué)反應(yīng)采用反應(yīng)進度(progress variable),c,進行表征，如下：-(12)其中Yp和Yp(ad)分別代表當前和完全絕熱燃燒后燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)，其取值范圍在0到1之間，0代表未燃混合物，1代表已燃混合

9、物。若用反應(yīng)進度c代表其平均值，則其輸運方程可表達如下：-(13)上式中平均反應(yīng)速率項如下求解：-(14)v代表未燃物密度，Ut代表湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｍ牧黝A(yù)混燃燒的關(guān)鍵在于求解湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?位于湍流火焰表面的法線方向)，該速度受兩方面館因素的影響：一是層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，即決定于燃料和氧化劑的濃度、初始溫度、組分的擴散特性以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性；二是有大渦褶皺和拉伸以及由小渦決定的火焰表面厚度。根據(jù)上述討論，F(xiàn)LUENTZ中的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤杀磉_為：-(15)式中，A模型常數(shù)，u速度均方值，Ul層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?k/Cp未燃物的分子導(dǎo)熱系數(shù)，I=CdU3/湍流長度尺度，t為湍流時間尺度，

10、c為化學(xué)反應(yīng)時間尺度。為考慮火焰拉伸所導(dǎo)致的吹熄現(xiàn)象，在反應(yīng)速率源項中可乘以一個拉伸因子G，它代表了拉伸所導(dǎo)致火焰不熄火的概率。-(16)2.2.5 部分預(yù)混燃燒模型 部分預(yù)混燃燒系統(tǒng)是指這樣一種預(yù)混火焰，其燃料/氧化劑之比不唯一。FLUENT中的部分預(yù)混模型是非預(yù)混模型和預(yù)混模型的結(jié)合。預(yù)混燃燒的反應(yīng)進度，c，決定了火焰前鋒的位置，在火焰前鋒的后面(c=1),混合物已燃，使用守恒標量PDF或?qū)恿骰鹧婷婺Ｐ偷慕?；在火焰前鋒的前面(c=0),組分質(zhì)量分數(shù)，溫度和密度由混合但未燃燒混合物分數(shù)來計算。在火焰內(nèi)部，未燃和已燃混合物的線性結(jié)合的方法被使用。部分預(yù)混模型求解平均反應(yīng)進度c，平均混合物分數(shù)f

11、和混合物分數(shù)方差f2的輸運方程。平均標量可由如下的f和c的PDF來計算：-(17)在火焰很薄的假設(shè)下，由于存在未燃的反應(yīng)物和已燃的產(chǎn)物，則平均標量可如下計算：-(18)具體煤粉燃燒算例1、 建立求解模型：連續(xù)相(氣體)只有在非耦合求解時非預(yù)混燃燒模型才是可用的。 Define-models-solver.2、 打開RNG k-e湍流模型 Define-models-viscous.3、 打開非預(yù)混燃燒模型 Define-models-species.a、 在Model下選擇Non-Premixed Combustion。當點OK時，F(xiàn)LUENT將打開一個對話框，要求輸入在模擬中要用到的PDF

12、文件。b、在選擇文件對話框中，選擇并讀入非絕熱的PDF文件(coal.pdf)當FLUENT讀入非絕熱PDF文件時，它會自動激活能量求解方程，所以你可以不用打開能量面板激活傳熱方程。3、 選擇P-1以激活輻射模型。Define-Models-Radiation.P1模型是能求解氣體和顆粒間輻射傳熱的模型之一。2、 建立求解模型：離散相FLIENT會用離散相模型來模擬煤粉的流動。這模型會預(yù)示出單個煤粒的軌跡，每一個都代表煤的連續(xù)流，在交替計算離散相的軌跡和氣相連續(xù)方程時，煤粒與氣相間熱量、動量、質(zhì)量的傳遞都將包含其中。1、 耦合離散相與連續(xù)相流動預(yù)報。Define-Models-Discrete

13、 Phase.a、 在Interaction 下，選中Interaction with Continuous Phase 選項。這選項將激活耦合求解，在求解中，離散相的軌跡將會對氣相產(chǎn)生影響，如果不選中這選項，你仍可以看到煤粒的軌跡，但上述參數(shù)對連續(xù)相的流動將沒有任何影響。b、定義耦合參數(shù)，設(shè)定Number of continous phase interations per DPM interation 為 200；在一些有著高質(zhì)量粒子和較大網(wǎng)格尺寸的問題中，應(yīng)該給這參數(shù)設(shè)定高一點的值，這對低頻率軌跡是很有好處的，為了更完全地聚合氣相方程，應(yīng)先對軌跡進行反復(fù)的計算。c、在Tracking p

14、aramete 下，為MAX Number of steps 輸入500000。d、打開Specify Length Scale ，保持Lenth Scale的默認值為0.01m。Length Scale 控制離散相軌跡綜合中用到的每一次步數(shù)的大小。這兒用到的值0.01m意味著10m長的一段軌跡要計算1000步左右。e、在Options下，選擇Particle Radiation Interation。2、 創(chuàng)建離散相煤的射入軌跡。 煤粉流用初始條件定義，這初始條件認為煤是進入到氣體中。在顆粒的運動方程的每一次綜合中，F(xiàn)LUENT將用這些初始條件作為計算的開始點。在這里，煤的總質(zhì)量流的比率為2

15、.4653kg/s，在10-160微米直徑方向上，假設(shè)顆粒是服從Rosin-Rammler尺寸分布的。其他的初始條件以及適當?shù)妮斎氤绦驅(qū)⒃谙旅孀鲈敿氄f明。Define-Injections.a、 在Injections面板中點擊Creat按鈕。b、Injection Type 向下列表中選擇Surface。c、在Particle Type 下，選擇Combusting。通過Combustion ，可以激活煤液化作用和煤燃盡的子模型。類似地，如果選擇Droplet將會激活小液滴蒸發(fā)和沸騰的子模型。d、在Material向下列表中選擇Coal-mv。Material列表包含了FLUENT數(shù)據(jù)庫中的

16、燃燒顆粒物質(zhì)。你可以在列表中選擇一種適當?shù)拿?，然后在Materials面板中對其進行修改。e、在Diameter Distribustion 向下列表中選擇rosin-rammler。煤粒的尺寸分布是不均勻的，其直徑大小從10微米到160微米，這些尺寸分布是與rosin-rammler方程相適應(yīng)的。f、在Oxidizing Species 向下列表中選擇O2。g、在Point Priperties 下指定初始條件。h、定義湍流差量。點擊Turbulent Disoersion ，面板將示出相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)。在Stochastic Tracking 下，打開Stochastic Modek。隨機跟

17、蹤可以模擬湍流顆粒軌跡的作用，在模擬實際顆粒的分散，將隨機跟蹤包含其中是很重要的。3、物質(zhì)：連續(xù)相當需要用到非預(yù)混燃燒模型時，prePDF化學(xué)數(shù)據(jù)庫的熱力學(xué)數(shù)據(jù)包括密度，比熱和成分的焓將被用到，這些性質(zhì)將作為pre-mixture物質(zhì)被轉(zhuǎn)換到FLUENT中去，這其中只有可以傳輸性質(zhì)，如粘性和導(dǎo)熱系數(shù)才需要定義。Define-Materials.1、 設(shè)定Thermal Conductivity為X。2、 設(shè)定Viscosity3、 在Absorption Coefficient 的向下列表中選擇wsggm-cell-based。這個模型指定了一個隨著成分變化而變化的吸熱系數(shù)。4、 點擊Chan

18、ge/Create 按鈕。4、物質(zhì)：離散相。Define-Materials.1、 從Materials Type列表中選擇combustion-particle。2、 在Combustion Particle Materials 列表中，保持當前的選擇(coal-mv)。你可以點擊Database.按鈕來查看可用的combustion-particle物質(zhì)。3、 為物質(zhì)coal-mv設(shè)置下列常量的參數(shù)值。FLUENT將用到下列輸入值：Density將影響顆粒的慣性和質(zhì)量力。Cp決定了顆粒溫度變化所需要的熱量。Latent Heat 是揮發(fā)份蒸發(fā)所需要的熱量。當在煤燃燒中用非預(yù)混燃燒模型的時侯

19、，這值通常設(shè)為0。如果為了節(jié)省燃料的熱量，而選中揮發(fā)份成份的話，那么潛熱也會包含在其中（但是，如果水被作為氣相的水蒸汽而含在揮發(fā)分中的話，你就應(yīng)該用非0 的潛熱值）。Vaporization Temperature 是煤開始液化時的溫度。它應(yīng)該與prePDF 中用到的燃料入口溫度相等。Volatile Component Fraction 確定了液化的每一煤粒的質(zhì)量。Binary Diffusivity 顆粒表面的氧化劑的擴散率，用在有擴散率限制的煤燃燼率方面。Particle Emissivity 顆粒的輻射系數(shù)。在計算輻射到顆粒上的熱量的時侯會用到。Particle Scattering

20、Factor 顆粒的散射系數(shù)。Swelling Coefficient 確定了煤在液化的過程中直徑的變化。膨脹系數(shù)為2 就意味著在揮發(fā)份的揮發(fā)過程中顆粒尺寸會變?yōu)樵瓉淼膬杀?。Burnout Stoichiometric Ratio 用在有擴散控制的燃燼率的計算方面。另外，在用非預(yù)混燃燒模型時，這參數(shù)將沒有用。當采用有限速率化學(xué)的時候，化學(xué)計量比定義了需要單位質(zhì)量碳的氧化劑的質(zhì)量。默認值為將C(s)氧化成CO2 的所需量。Combustible Fraction 是煤粒中碳的質(zhì)量分數(shù)。它決定了被碳燃燼子模型消耗的每一煤粒的質(zhì)量。.為Devolatilization Model 選擇Single Rate Devolatilization Model。(a)在Devolatilization Model 向下列表中選擇single-rate 選項。這將打開Single Rate Devolatilization Model 面板。(b)保持面板中默認的