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第三章 fluent仿真有限速率燃烧模型


三、有限速率燃烧模型

? ? ? ?

层流有限速率模型 有限速率/涡耗散模型(EDM) 涡耗散模型(EDM) 涡耗散概念模型(EDC)

有限速率模型概述
? 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,反应速率以源项形式出现: ? 组分 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 :
R j ? ? R jk
k

? Rjk :第k 个化学反应生成或消耗的j 组分。 (根据 Arrhenius速率公式、漩涡耗散等理论进行计算).

1、层流有限速率模型
? 特点:使用Arrhenius公式计算反应速率作为 源项,忽略湍流脉动的影响。 ? 使用范围:反应缓慢、湍流脉动较小的燃烧。

E:反应活化能 CA、CB:反应物浓度 a、b:化学反应计量数 K0:指前因子

Arrhenius化学动力学的高度非线性 性,模拟结果一般不精确!

三种特殊情况
? 1、有逆向反应
反应速率公式

? ?? R i ,r

?

'' i ,r

??

' i ,r

?

? i',r

反应r中反应物i的化学计量数

Nr Nr ? ? ' ? k f ,r ? C j ,r ? j ,r ? kb ,r ? C j ,r ? 'j' ,r ? ? ? j ?1 j ?1 ? ?

? ?

? ?

? i'',r
k f ,r

反应r中生成物i的化学计量数 反应r的正向速率常数
反应r中反应物i的化学计量数 反应r中每种反应物或生成物j的正向反应速度指数 反应r中每种反应物或生成物j的逆向反应速度指数

k b,r

? 'j ,r
? 'j' ,r

三种特殊情况
? 2、第三体的影响
? ? ?? R i ,r
Nr j

?

'' i ,r

??

' i ,r

?

Nr Nr ? ? ' ? k f ,r ? C j ,r ? j ,r ? k b ,r ? C j ,r ? 'j' ,r ? ? ? j ?1 j ?1 ? ?

? ?

? ?

? ? ? ? j ,r C j

? 3、压力独立反应 反应发生在高压和低压限制之间,不仅仅 依赖于温度。

FLUENT相关设置
1、选择模型

2、定义材料

FLUENT相关设置
3、定义化学反应

化学反应式

指前因子和活化能

特殊情况
使用不多,不做举例介绍

FLUENT相关设置
4、设置点火区域 Solve-initiaze-patch

2、涡耗散模型

? 快速燃烧假设:化学反应速率与湍流混合(扩散) 速率相比无穷快,即湍流燃烧过程由燃料和氧化 剂的混合过程控制。 ? 整体反应速率由湍流混合控制; ? Damkohiler数:

涡耗散模型概述
? 非预混火焰中:湍流“缓慢地”通过对流作用, 使燃料和氧化剂进入反应区,在反应区内快 速地燃烧; ? 非预混火焰中:湍流作用使冷的反应物和热 的生成物进入反应区,在反应区快速地燃烧; ? 燃料和氧化剂进入反应区快速地发生反应, 燃烧成为混合限制的,即扩散控制的燃烧; ? 忽略了复杂、未知的化学反应动力学速率;

涡耗散模型概述
? 假设:认为化学反应速率取决于未燃气体 微团在湍流作用下破碎成更小微团的速率; ? 公式: ? 特征:突出了湍流混合对燃烧速率的控制 作用; ? 缺点:未考虑分子输运和化学动力学因素 的影响,过于粗糙。

涡耗散模型理论
'' ? ? j , r M w, j ? YR ? ? ' ? Ri ,r ? ? i ,r M w,i A? min? ?? ' M ? k ? R , r w, R ? ? YP:产物的质量分数 控制反应速率 ? YR:反应物的质量分数

反应速率计算 (取较小者)

Ri ,r ? ? M w,i AB ?
' i ,r

?

?
N j

p

Yp

k

? A、B:经验常数,A=4.0,B=0.5; ' ? ? i ,r 反应r中反应物i的化学计量数 ? ? i'',r 反应r中生成物i的化学计量数

涡耗散模型理论
Ri ,r ? ? M w,i AB ?
' i ,r

?
k

?

?
N j

p

Yp

? 'j' ,r M w, j

? 反应速率由大涡混合时间尺度 k / ? 控制, 只要出现 k / ? >0的情况,燃烧即可进行, 故不需要点火源; ? 常用于非预混火焰; ? 但在预混火焰中,反应物一进入计算区域 就开始燃烧,该模型计算的燃烧会出现超 前性,故一般不单独使用。

FLUENT相关设置
1、选择能量方程 和湍流模型

2、选择涡耗散模型

FLUENT相关设置

3、在设置材料处产看相关反应 反应速率由大涡混合时 间尺度 k / ? 控制,不 需要设置点火源。

FLUENT相关设置
Ri ,r ? ? i',r M w,i AB ?

?
k

?

?
N j

p

Yp

? M w, j
'' j ,r

? YR ? ? ? Ri ,r ? ? M w,i A? min? ' ? k ? ? R , r M w, R ?
' i ,r

?

? 4、初始化时设置产 物质量比例为0.01, 用于启动反应。

涡耗散模型的使用
? 适用条件:湍流(高Re数),快速化学反 应(高Da数),预混、非预混、部分预混; ? 案例:气体反应、煤燃烧; ? 限制条件: (1)混合时间和反应时间相似时不可靠; (2)没有从化学动力学角度去控制中间物质; (3)不能模拟点燃、熄灭等动力学细节现象。

涡耗散模型举例
物理模型

燃气入口 点火燃烧:150m/s

烟气出口

实例演练二、涡耗散模型
模型及边界条件 ? 功率:16kw,天然气作为燃料; ? 模型:涡破碎燃烧模型(EDC), 离散坐标辐射模型(DO); ? 管壁:601合金,3mm厚,发射率0.85; ? 炉温:950℃ ? 空气预热温度:627℃ ? 排烟压力:-500pa

3、有限速率/涡耗散模型

? 简单结合了Arrhenius公式和涡耗散方程。 ? 避免预混燃烧中,ED模型出现的提前燃烧问题。

有限速率/涡耗散模型
? 同时计算Arrhenius公式和涡耗散方程;
?
k

Ri ,r ? ? M w,i AB ?
' i ,r

?

?
N j

p

Yp

? M w, j
'' j ,r

? 净反应速率取两个速率中的较小值。 ? Arrhenius速率:作为动力学开关,阻止反应发 生在火焰稳定器之前; ? 点燃后,涡耗散速率一般小于Arrhenius速率。

有限速率/涡耗散模型优缺点
? 优点:结合了动力学因素和湍流因素; ? 缺点:只能用于单步或双步反应。
(1)多步反应机理基于Arrhenius速率,每个反应的 都不一样;
(2)涡耗散模型中,每个反应都有同样的湍流速率;

(3)不能预测化学动力学控制的物质,如活性物质。

4、涡耗散概念模型

Eddy-Dissipation Concept

EDC模型理论
? 是涡耗散模型的扩展,在湍流流动中包括了详细 的化学反应机理,假定化学反应都发生在小涡当 中,反应时间由小涡的生存时间和化学反应本社 所需要的时间来共同控制; ? 小涡的尺度由下式计算: ? * ? C? ?
?? ? * ? ? CT ? 2 ? ?? ?
1/ 2

? ?? ? ? ?k ?
2

3/ 4

? 认为物质在这个尺度中,反应经过一个时间尺度:

C? 容积比率常数,=2.1377 C ? 时间尺度常数,=0.4082

EDC模型理论
? FLUENT中,小涡的化学反应发生在等条件 下,初始条件为单元中当前的组分和温度, 速率计算采用Arrhenius公式,采用数值积 分的方法来计算经过一个 ? * 时间后的反应 * Y 物状态 i 。 * 2 ? ?? ? * ? w ? Y ? Yi ? 源项计算公式: i i 3 * *
? 1 ? ??

?

??

组分守恒方程

EDC模型特点
? 湍流反应中考虑了详细的化学反应机理; ? 数值积分计算开销很大,计算速度较慢; ? 在快速化学反应假定无效的情况下使用该 模型,即低Da数,如快速熄灭火焰中中CO 缓慢燃烧、NOx的生成等; ? 推荐使用双精度求解器,避免反应速率中 指前因子和活化能产生的误差。

EDC模型的使用
? 适用条件:湍流,低Da数,预混、非预混和 部分预混燃烧; ? 案例: (1)湍流反应中的预混合有限比例现象; (2)CO的缓慢燃烧; (3)NOx的形成. ? 限制条件: 占用CPU资源较多,默认使用ISAT算法加速

EDC模型FLUENT设置
1、选择EDC模型

容积比例常数 时间比例常数

EDC模型FLUENT设置
2、查看化学反应 (define-materials-reaction)

计算化学反应速率, 定义活化能和指前因子

FLUENT相关设置
3、设置点火高温区域 Solve-initiaze-patch

5、有限速率模型总结
模型 层流有限速率 有限速率/EDM EDM EDC

特点

使 用 Arrhenius 计 反 应 速 率 取 反 应 速 率 在湍流流动中 算 燃 烧 速 率 , 忽 Arrhenius 和涡 耗 由 湍 流 混 包含了详细的 略湍流脉动影响 散方程较小者 合控制 化学反应机理

适用条件 层流火焰

快速化学反应 非预混火 单步、双步反应 假定无效的情 焰 况
忽略了复 杂 的 化 学 占用计算机内 不适合多步反应 动 力 学 因 存很大 素

缺点

不适合湍流燃烧


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