FLUENT中組分輸運及化學反應(yīng)(燃燒)模擬

1、燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)Temperature in a gas furnaceFLUENT中中組分輸運及化學反應(yīng)組分輸運及化學反應(yīng)（燃燒）模擬燃燒）模擬熱科學與能源工程系2003年10月燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)概要u應(yīng)用u燃燒模擬簡介 u化學動力學u氣相燃燒模型u稀疏相燃燒模型 u污染物排放模擬u燃燒數(shù)值模擬步驟介紹燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)燃燒模擬u廣泛應(yīng)用與均相和非均相燃燒過程模擬l燃燒爐l鍋爐l加熱器l燃氣輪機l火箭發(fā)動機u求解內(nèi)容l流場流動特性及其混合特性l溫度場l組分濃度場l顆粒和污染物排

2、放Temperature in a gas furnaceCO2 mass fractionStream function燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)燃燒模型概要稀疏相模型液滴/顆粒動力學非均相反應(yīng)液化蒸發(fā)輸運控制方程質(zhì)量動量 (湍流)能量化學組分燃燒模型預(yù)混局部預(yù)混非預(yù)混燃燒污染物模型輻射換熱模型燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)u氣相燃燒l有限速率模型 (Magnussen model)l守恒標量的 PDF模型 (一個或兩個混合分數(shù))l層流火焰面（小火焰）模型 (V5)lZimont model (V5)u稀疏相模型n湍流顆粒彌散s隨機軌道

3、模型（Stochastic tracking）s顆粒云團模型（Particle cloud model） (V5)n粉煤與噴油燃燒子模型u 輻射模型: DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates (V5)u湍流模型: k-, RNG k-, RSM, Realizable k- (V5) and LES (V5)u污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and sootFLUENT提供的燃燒模型燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)模擬燃燒過程的化學反應(yīng)動力學u難點與挑戰(zhàn)l多數(shù)實際的燃燒過程是湍流l

4、化學反應(yīng)速率高度非線性; 湍流化學反應(yīng)高度耦合，相互作用很重要。l真實化學反應(yīng)機理包含數(shù)十個組分, 數(shù)百個基元反應(yīng)，并且方程組極具剛性 (基元化學反應(yīng)時間尺度相差大)u實際處理方法l簡化化學反應(yīng)機理n有限速率燃燒模型l考慮湍流及其混合、弱化反應(yīng)化學n混合分數(shù)模型s平衡化學的 PDF模型s層流火焰面模型n進展變量模型sZimont 模型燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)有限速率模型u用總包機理反應(yīng)描述化學反應(yīng)過程.u求解化學組分輸運方程.l求解當?shù)貢r間平均的各個組分的質(zhì)量分數(shù), mj.u組分 j的源項 (產(chǎn)生或消耗）是機理中所有k個反應(yīng)的凈反應(yīng)速率 : uRjk (第k 個

5、化學反應(yīng)生成或消耗的j 組分)是根據(jù) Arrhenius速率公式、混合或渦旋破碎（EBU）速率的小值。. u混合速率與渦旋壽命相關(guān), k /.l物理意義是湍流渦旋是決定化學反應(yīng)的首要因素。對于非預(yù)混燃燒，湍流渦旋決定了組分混合；對于預(yù)混燃燒湍流決定了熱輸運（高溫加熱低溫）。即：化學反應(yīng)決定于湍流混合組分（非預(yù)混燃燒）和熱量（預(yù)混燃燒）的速率。RRjjkk燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)Fluent燃燒模型u有限速率模型有限速率模型 求解組分的質(zhì)量分數(shù)輸運方程，化學反應(yīng)機理由用戶自己定義。u非預(yù)混燃燒模型非預(yù)混燃燒模型 該模型中并不求解單個組分的輸運方程，而是求解一個或者

6、兩個守恒標量（混合分數(shù)）的輸運方程 u預(yù)混燃燒模型預(yù)混燃燒模型 模擬完全混合的燃燒問題。充分混合的燃燒物和產(chǎn)物被火焰前鋒分隔，求解出的化學反應(yīng)進展變量來描述該火焰前峰的位置 u部分預(yù)混燃燒模型部分預(yù)混燃燒模型 該模型用來處理系統(tǒng)中同時具有非預(yù)混和充分預(yù)混的情況。該方法同時求解了混合分數(shù)和反應(yīng)進展變量 燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)有限化學反應(yīng)速率模型設(shè)置u要求:l給出組分及其物性l給出化學反應(yīng)及其反應(yīng)速率在內(nèi)的化學反應(yīng)動力學數(shù)據(jù)uFLUENT V5 在mixture material database里面提供了數(shù)據(jù)u對于常用的燃料，數(shù)據(jù)庫都會給定機理，組分物性等信息.

7、 u如果用戶需要給定個性化機理，則: l生成新的混合物.l改變已有混合物的物性/化學反應(yīng).燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)有限速率模型小節(jié)u優(yōu)點:l可以應(yīng)用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustionl簡單、直觀l應(yīng)用廣泛u缺點:l不適合混合速率與化學反應(yīng)動力學時間尺度相當時候的化學反應(yīng) (要求 Da 1).l沒有嚴格考慮湍流化學反應(yīng)之間的相互作用問題l不能考慮中間產(chǎn)物或組分、不能考慮分裂影響.l模型常數(shù)不確定, 特別是用于計算多個化學反應(yīng)的時候尤為如此，模型常數(shù)通用性較差。.燃燒熱科學與能源工程系2003年1

8、0月計算流體與傳熱傳質(zhì)守恒標量 (混合物分數(shù)) 模型: PDF 模型u只適應(yīng)用于非預(yù)混 (擴散) 火焰燃燒u假定化學反應(yīng)過程受混合速率控制l滿足局部化學平衡.l控制體（計算單元）組分、物性決定于燃料和氧化劑在該處的混合程度. u化學反應(yīng)機理不明確. l用化學平衡計算來處理化學反應(yīng) (prePDF).u只求解混合物分數(shù)及其方差的輸運方程, 無需求解組分的輸運方程.u可以嚴格考慮湍流與化學反應(yīng)的相互作用燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)混合分數(shù)定義u混合分數(shù), f, 寫成元素的質(zhì)量分數(shù)形式:l其中， Zk 是元素k的質(zhì)量分數(shù) ；下標 F 和O 表示燃料和氧化劑進口流處的值。u

9、對于簡單的 fuel/oxidizer系統(tǒng), 混合物分數(shù)代表計算控制體里的燃料質(zhì)量分數(shù).u混合物分數(shù)是守恒標量（conserved scalar）: l組分輸運方程中沒有化學反應(yīng)源項.OkFkOkkZZZZf,燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)可以用單個混合物分數(shù)模擬的燃燒系統(tǒng)uFuel/air 擴散火焰:u多氧化劑入口的擴散火焰:u多燃料進口的擴散火焰: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%

10、 C3H8 10% CO221% O2 79% N2f = 1f = 0f = 160% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)系統(tǒng)化學平衡假設(shè)u化學反應(yīng)很快到達平衡. u可以考慮中間組分.燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)PDF 模擬Turbulence-Chemistry相互作用uFluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).up(V), the PDF, r

11、epresents fraction of sampling time when variable, V, takes a value between V and V + V.up(f) can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction, f:lSpecies mole fractionslTemperature, densityp VVTTii( )lim1iipffdf()()01燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)PDF Model

12、Flexibilityu非絕熱系統(tǒng):lIn real problems, with heat loss or gain, local thermo-chemical state must be related to mixture fraction, f, and enthalpy, h.lAverage quantities now evaluated as a function of mixture fraction, enthalpy (normalized heat loss/gain), and the PDF, p(f).u第二守恒標量:lFLUENT用第二守恒標量可以模擬:nTw

13、o fuel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa)nNonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizernCo-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuelnFiring single coal with two off-gases (volatiles and char burnout products) tracked separate

14、ly燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)混合分數(shù)/PDF模型小節(jié)u優(yōu)點:l可以計算中間組分.l考慮分裂影響.l考慮湍流化學反應(yīng)之間作用.l無需求解組分輸運方程（特別是多組分），簡化計算量l性能好，經(jīng)濟u缺點:l系統(tǒng)必須滿足（靠近）局部平衡.l不能用于可壓速或非湍流流動.l不能用于預(yù)混燃燒.燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)層流火焰面模型u用混合分數(shù)和標量耗散率來求解（絕熱）溫度、密度和組分等量。l對于混合分數(shù) PDF 模型 (絕熱), 熱化學狀態(tài)只是 f 的函數(shù)lc 與當?shù)貞?yīng)變率有關(guān)u把混合分數(shù) PDF擴展到模擬中度化學非平衡燃燒模擬中u用層流拉伸火焰

15、系綜來模擬湍流火焰, 對撞擴散火焰2)/(xf c),(cfii燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)層流火焰面模型(2)u用指定概率密度函數(shù)（PDF） P(f,c) 的方法來決定層流火焰面系綜。假定的概率包括計算為：Pf (f) Pc (c), 其中， Pf (f) 用Beta 函數(shù)， Pc (c) 用delta函數(shù)u只適合絕熱系統(tǒng)（FLUENT V5）uImport strained flame calculationslprePDF or Sandias OPPDIF codeuSingle or multiple flameletslSingle:user speci

16、fied strain, alMultiple: strained flamelet library, 0 a aextinctionna=0 equilibriumna= aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishesuPossible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)10 0)()(),(dfdPfPffiicccc燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)預(yù)混燃燒的Zimont模型u用單個過程變量來模擬熱化學過程, u

17、平均反應(yīng)速率, u湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣? Ut, 根據(jù)貧燃預(yù)混燃燒推導得到，并考慮l預(yù)混燃料當量比l湍流引起的火焰前鋒皺折和增厚l湍流拉伸引起的火焰前鋒淬熄l分子擴散u適合絕熱燃燒,u非絕熱燃燒必須求解焓方程tcxu cxSccxRciiittic01RUccunburnttpadpppYYc/adunburntTcTcT)1(燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)稀疏相模型u在拉格朗日坐標系下，求解顆粒、液滴、氣泡的軌道. l并與連續(xù)相（氣相）進行熱、質(zhì)量和動量的耦合求解。u稀疏相體積分數(shù)必須 10%l質(zhì)量分數(shù)可以比較高l不考慮顆粒之間作用、顆粒破碎u模擬湍流彌撒l隨機軌道（S

18、tochastic tracking）l顆粒云團模型（Particle cloud (V5)） uRosin-Rammler or linear size distributionu非定常流動中的顆粒軌道 (V5)u模擬顆粒分離, 噴霧烘干, 液體燃料或煤粉的燃燒過程。.計算連續(xù)相流動場計算顆粒軌道更新連續(xù)相源項燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)uMonte-Carlo方法模擬湍流顆粒彌散 (discrete random walks)u顆粒運動計算中考慮氣體的平均速度及隨機湍流脈動速度的影響。u每個軌道包含了一群具有相同特性的顆粒，如相同的初始直徑，密度等. u考慮湍流

19、彌散尤為重要l更復合真實物理過程，但計算量更大。l可以通過光滑源項、消除與氣相的耦合來強化計算穩(wěn)定性；顆粒彌散: 隨機軌道模型Coal particle tracks in an industrial boiler燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)顆粒彌散: 顆粒云團模型u 用平均速度決定顆粒的平均軌道u假定該平均軌道為 3D多變量的 Gaussian 分布，計算顆粒偏離的范圍（3倍標準偏差）uRigorously accounts for inertial and drift velocitiesuA particle cloud is required for eac

20、h particle type (e.g. initial d, etc.)uParticles can escape, reflect or trap (release volatiles) at wallsuEliminates (single cloud) or reduces (few clouds) stochastic trackinglDecreased computational expenselIncreased stability since distributed source terms in gas phaseBUT decreased accuracy sincel

21、Gas phase properties (e.g. temperature) are averaged within cloud lPoor prediction of large recirculation zones燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)非定常流動的顆粒軌道模擬uEach particle advanced in time along with the flowuFor coupled flows using implicit time stepping, sub-iterations for the particle tracking are perf

22、ormed within each time stepuFor non-coupled flows or coupled flows with explicit time stepping, particles are advanced at the end of each time step燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)煤/油燃燒模型u變化模型可以模擬煤或油燃燒llDroplet 油燃燒模擬lCombusting particle 煤燃燒模擬uSeveral devolatilization and char burnout models provided.lNot

23、e: 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.Particle TypeDescriptionInertinert/heating or coolingDroplet (oil)heating/evaporation/boilingCombusting (coal)he

24、ating;evolution of volatiles/swelling;heterogeneous surface reaction燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)NOx ModelsuNOx 中含量最多的是一氧化氮 (NO). l引起煙霧l引起酸雨l導致臭氧損耗uNOx 排放有三個機理:l熱機理（Thermal Nox） - Zeldovich mechanism (氧化空氣中的 N)n高溫燃燒最明顯l快速機理（Prompt NOx ）- De Soete, Williams提出的經(jīng)驗機理. n通常該機理對Nox排放量影響較小n富燃燃燒區(qū)域該機理有明顯作用l燃料

25、NOx 機理- De Soete, Williams等人提出的經(jīng)驗機理.n在煤燃燒中， 燃料中含N高，并且燃燒溫度不是很高時起作用。uNOx 再燃 (V5)l在燃料富足的燃燒區(qū)域，NO會與碳氫化合物反應(yīng)，使得NO 減少燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)煙（Soot） 模型u兩種煙模型:lOne-step 模型 (Khan and Greeves)n1個輸運方程，煙質(zhì)量分數(shù)lTwo-Step 模型(Tesner)nTransport equations for radical nuclei and soot mass fraction concentrationsuSoot

26、 生成采用經(jīng)驗公式其中, C, pf, 和 F 是模型常數(shù), 燃料分壓力和當量比。u采用Magnussen模型計算 Soot 燃燒 (消耗)uSoot 對輻射的影響l激活Soot面板上的Soot-Radiation 選項RTEnfformationepCR/F燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)燃燒模擬步驟及求解策略u打開求解器（打開求解器（2D或或3D）l檢查物理模型適用性l網(wǎng)格分辨率需求 (resolve shear layers)l求解參數(shù)、收斂條件設(shè)置u邊界條件邊界條件l燃燒經(jīng)常對進口邊界條件十分敏感n正確的進口標量和速度的分布l很難估計壁面熱條件；盡可能優(yōu)先給定邊界溫度，很難給定對流換熱或者輻射換熱量 u初始條件初始條件l穩(wěn)態(tài)解跟初始值無關(guān)，但給的初始值不好，由于各個方程之間不和諧和輸運方程的非線性，導致解分歧或發(fā)散不收斂。先求解冷態(tài)流動、接著氣體燃燒、顆粒燃燒、再考慮輻射；l對于強旋流動，漸漸增加旋流速度；燃燒熱科學與能源工程系2003年10月計算流體與傳熱傳質(zhì)燃燒模擬步驟及求解策略（2）u低松弛因子低松弛因子l松弛因子改變對結(jié)果影響是高度非線性的n采用混合分數(shù)PDF模型時，密度采用低松弛 (0.5)n考慮浮力流動中，速度采用低松弛因子n高速流動中壓力采用低松弛因子l一旦解較為穩(wěn)定, 盡可能讓松弛因子提高到系統(tǒng)默