第三章仿真有限速率燃燒模型

第三章仿真有限速率燃燒模型第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一有限速率模型概述用總包機理反應描述化學反應過程.求解化學組分輸運方程，反應速率以源項形式出現(xiàn)：組分j的源項(產生或消耗）是機理中所有k個反應的凈反應速率:

Rjk

：第k個化學反應生成或消耗的j組分。（根據(jù)Arrhenius速率公式、漩渦耗散等理論進行計算）.

第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1、層流有限速率模型特點：使用Arrhenius公式計算反應速率作為源項，忽略湍流脈動的影響。使用范圍：反應緩慢、湍流脈動較小的燃燒。E:反應活化能CA、CB：反應物濃度a、b：化學反應計量數(shù)K0：指前因子Arrhenius化學動力學的高度非線性性，模擬結果一般不精確！第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三種特殊情況1、有逆向反應反應速率公式反應r中反應物i的化學計量數(shù)反應r中生成物i的化學計量數(shù)反應r的正向速率常數(shù)反應r中反應物i的化學計量數(shù)反應r中每種反應物或生成物j的正向反應速度指數(shù)反應r中每種反應物或生成物j的逆向反應速度指數(shù)第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三種特殊情況2、第三體的影響3、壓力獨立反應

反應發(fā)生在高壓和低壓限制之間，不僅僅依賴于溫度。第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關設置1、選擇模型2、定義材料第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關設置3、定義化學反應特殊情況指前因子和活化能化學反應式使用不多，不做舉例介紹第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關設置4、設置點火區(qū)域Solve-initiaze-patch第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2、渦耗散模型快速燃燒假設：化學反應速率與湍流混合（擴散）速率相比無窮快，即湍流燃燒過程由燃料和氧化劑的混合過程控制。整體反應速率由湍流混合控制；Damkohiler數(shù)：第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型概述非預混火焰中：湍流“緩慢地”通過對流作用，使燃料和氧化劑進入反應區(qū)，在反應區(qū)內快速地燃燒；非預混火焰中：湍流作用使冷的反應物和熱的生成物進入反應區(qū)，在反應區(qū)快速地燃燒；燃料和氧化劑進入反應區(qū)快速地發(fā)生反應，燃燒成為混合限制的，即擴散控制的燃燒；忽略了復雜、未知的化學反應動力學速率；第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型概述假設：認為化學反應速率取決于未燃氣體微團在湍流作用下破碎成更小微團的速率；公式：特征：突出了湍流混合對燃燒速率的控制作用；缺點：未考慮分子輸運和化學動力學因素的影響，過于粗糙。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型理論YP：產物的質量分數(shù)YR：反應物的質量分數(shù)A、B：經(jīng)驗常數(shù)，A=4.0，B=0.5；

反應速率計算（取較小者）反應r中反應物i的化學計量數(shù)反應r中生成物i的化學計量數(shù)控制反應速率第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型理論反應速率由大渦混合時間尺度控制，只要出現(xiàn)>0的情況，燃燒即可進行，故不需要點火源；常用于非預混火焰；但在預混火焰中，反應物一進入計算區(qū)域就開始燃燒，該模型計算的燃燒會出現(xiàn)超前性，故一般不單獨使用。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關設置1、選擇能量方程和湍流模型2、選擇渦耗散模型第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關設置3、在設置材料處產看相關反應反應速率由大渦混合時間尺度控制，不需要設置點火源。第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關設置4、初始化時設置產物質量比例為0.01，用于啟動反應。第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型的使用適用條件：湍流（高Re數(shù)），快速化學反應（高Da數(shù)），預混、非預混、部分預混；案例：氣體反應、煤燃燒；限制條件：（1）混合時間和反應時間相似時不可靠；（2）沒有從化學動力學角度去控制中間物質；（3）不能模擬點燃、熄滅等動力學細節(jié)現(xiàn)象。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型舉例燃氣入口點火燃燒：150m/s煙氣出口物理模型第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一實例演練二、渦耗散模型模型及邊界條件功率：16kw,天然氣作為燃料；模型：渦破碎燃燒模型（EDC），

離散坐標輻射模型（DO）；管壁：601合金，3mm厚，發(fā)射率0.85；爐溫：950℃空氣預熱溫度：627℃排煙壓力：-500pa第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3、有限速率/渦耗散模型簡單結合了Arrhenius公式和渦耗散方程。避免預混燃燒中，ED模型出現(xiàn)的提前燃燒問題。第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一有限速率/渦耗散模型同時計算Arrhenius公式和渦耗散方程；凈反應速率取兩個速率中的較小值。Arrhenius速率：作為動力學開關，阻止反應發(fā)生在火焰穩(wěn)定器之前；點燃后，渦耗散速率一般小于Arrhenius速率。第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一有限速率/渦耗散模型優(yōu)缺點優(yōu)點：結合了動力學因素和湍流因素；缺點：只能用于單步或雙步反應。（1）多步反應機理基于Arrhenius速率，每個反應的都不一樣；（2）渦耗散模型中，每個反應都有同樣的湍流速率；（3）不能預測化學動力學控制的物質，如活性物質。第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4、渦耗散概念模型Eddy-DissipationConcept第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一EDC模型理論是渦耗散模型的擴展，在湍流流動中包括了詳細的化學反應機理，假定化學反應都發(fā)生在小渦當中，反應時間由小渦的生存時間和化學反應本社所需要的時間來共同控制；小渦的尺度由下式計算：認為物質在這個尺度中，反應經(jīng)過一個時間尺度：容積比率常數(shù)，=2.1377時間尺度常數(shù)，=0.4082第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一EDC模型理論FLUENT中，小渦的化學反應發(fā)生在等條件下，初始條件為單元中當前的組分和溫度，速率計算采用Arrhenius公式，采用數(shù)值積分的方法來計算經(jīng)過一個時間后的反應物狀態(tài)。源項計算公式：組分守恒方程第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一EDC模型特點湍流反應中考慮了詳細的化學反應機理；數(shù)值積分計算開銷很大，計算速度較慢；在快速化學反應假定無效的情況下使用該模型，即低Da數(shù)，如快速熄滅火焰中中CO緩慢燃燒、NOx的生成等；推薦使用雙精度求解器，避免反應速率中指前因子和活化能產生的誤差。第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一EDC模型的使用適用條件：湍流，低Da數(shù)，預混、非預混和部分預混燃燒；案例：（1）湍流反應中的預混合有限比例現(xiàn)象；（2）CO的緩慢燃燒；（3）NOx的形成.限制條件：占用CPU資源較多，默認使用ISAT算法加速第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星