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fluent燃烧简介


FLUENT 燃烧简介
FLUENT 软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型,适用于各种 复杂情况下的燃烧问题,包括固 体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机 中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。

1.1

FLUENT 燃烧模拟方法概要

燃烧模型是 FLUENT 软件优于

其它 CFD 软件的最主要的特征之一。 FLUENT 可以模拟宽广 范围内的燃烧问题。然而,需要注意的是:你必须保证你所使用的物理模型要适合你所研究 的问题。FLUENT 在模拟燃烧中的应用可如下图所示:

离散相模型 输运方程 连续性 动量 能量 化学组分 污染物模型

气相燃烧模型 预混燃烧 部分预混燃烧 扩散燃烧

热辐射和传热模型

图 1

FLUENT 模拟过程中所需的物理模型

1.1.1 气相燃烧模型
一般的有限速率形式(Magnussen 模型) 守恒标量的 PDF 模型(单或二组分混合分数) 层流火焰面模型(Laminar flamelet model) Zimount 模型

1.1.2 离散相模型
煤燃烧与喷雾燃烧

1.1.3 热辐射模型
DTRM,P-1,Rosseland 和 Discrete Ordinates 模型

1.1.4 污染物模型
NOx 模型,烟(Smoot)模型

2.1气相燃烧模型
· 在 FLUENT 中,针对不同的燃烧现象,采用了不同的化学动力学处理手段,以减少计 算成本,如下: 有限速率燃烧模型---预混、部分预混和扩散燃烧 混合分数方法(平衡化学的 PDF 模型和非平衡化学的层流火焰面模型)---扩散燃烧

反应进度方法(Zimont 模型)---预混燃烧 混合物分数和反应进度方法的结合---部分预混燃烧

2.2.1 有限速率模型
化学反应过程一般采用总包机理(即简化化学反应,如单步反应)进行描述。 求解积分的输运方程,得到每种组分的时均质量分数值,如下: -----(1) 其中组分 j 的反应源项为所有反应 K 个反应中,组分 j 的净生成速率: -----(2) -----(3) 计算所需参数包括:1、组分及其热力学参数值;2、反应及其速率常数值。 有限速率模型的有缺点: 优点:适用于预混、部分预混和扩散燃烧,简单直观; 缺点: 当混合时间尺度和反应时间尺度相当时缺乏真实性, 难以解决化学反应与湍流的耦合 问题,难以预测反应的中间组分,模型常数具有不确定性。 这种模型求解反应物和生成物输运组分方程, 并由用户来定义化学反应机理。 反应率作 为源项在组分输运方程中通过阿累纽斯方程或涡耗散模型。 应用领域: 该模型可以模拟大多数气相燃烧问题, 在航空航天领域的燃烧计算中有广泛 的应用。

2.2.2守恒标量的 PDF 模型
守恒标量的 PDF 模型仅适用于扩散(非预混)燃烧问题, 该方法假定了反应是受混合速率 所控制, 即反应已经达到化学平衡状态, 每个单元内的组分及其性质是由燃料和氧化剂的湍 流混合强度所控制,其中涉及的化学反应体系由化学平衡计算来处理(利用 FLUENT 的组件 程序 PrePDF)。 该方法通过求解混合物分数及其方差的输运方程获得组分和温度场, 而不是直接求解组 分和能量的输运方程。

-----(4)

-----(5) 其中 -----(6)

混合分数定义

-----(7)

其中 Zk 代表元素 k 的元素质量分数,下标 F 和 O 分别代表燃料和氧化剂的进口值。对 于简单的燃料/氧化剂体系, 每一计算单元内的混合物分数代表了该单元内的燃料质量分数, 由于混合物分数是守恒标量,因此在求解输运方程时不再考虑反应源项。 在该方法中,化学反应认为足够快,体系中的组分立刻达到平衡状态。化学平衡组分在 混合物空间的分布可示意如下:

化学反应和湍流之间的相互作用采用概率密度函数(PDF)的方法处理:

上图代表了概率密度函数 p(V)的定义,因此在混合物分数空间,f 标量的时均值可由下式计 算:

守恒标量 PDF 模型的优缺点: 优点:可以预测中间组分的浓度,可以考虑流动中的耗散现象,可以考虑化学反应与湍流之 间的相互作用,该方法不需要求解大量的组分和能量的输运方程,因此可以缩短计算时间。 缺点:研究的流动体系必须接近于局部化学平衡状态,且不能用于非湍流流动,同时亦不能 处理预混燃烧问题。 该模型不要求用户显式地定义反应机理,而是通过火焰面方法(即混即燃模型)或化学平 衡计算来处理,因此比有限速率模型有更多的优势。 应用领域:该模型应用于非预混燃烧(湍流扩散火焰) ,可以用来计算航空发动机的环 形燃烧室中的燃烧问题及液体/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。

2.2.3 层流火焰面模型
层流火焰面模型的基本思想是把湍流扩散火焰看作是层流对撞扩散火焰面的系统。 该方 法可以看作是守恒标量 PDF 模型的一个扩展,它可用于处理非化学平衡状态的体系,即可 以利用化学反应动力学的方法处理反应流。 不同于守恒标量的 PDF 模型,标量是混合物分数和标量耗散率的函数,而非混合物分 数的函数: -----(8) 指定混合物分数 f 的 PDF 符合β 函数分布,标量耗散率χ 的 PDF 符合狄拉克-δ 函数分布, 因此,时均标量值可以通过在 f 和χ 空间求标量的统计平均来得到(即,考虑化学反应与湍 流的相互作用):

-----(9) 层流火焰面模型的计算过程如下: 1、计算不同标量耗散率下,标量在混合物分数 f 空间的分布,即求解火焰面方程,组分方 程为:

-----(10) 能量方程为:

-----(11) 从而得到标量随混合物分数和标量耗散率的变化关系,即式(8),并以火焰面数据库文件的 形式保存结果。 2、火焰面数据库文件也可由其它软件生成,若得到的库文件为单标量耗散率,则需计算不 同标量耗散库的库文件,最后将它们合并。 3、利用(9)式计算火焰面的 PDF 库, 从而得到时均标量随平均混合物分数和平均混合物方差 的变化关系。 4、利用求解平均混合物分数及其平均方差的输运方程的方法,在流场中计算这两个量,然 后再利用得到的 PDF 库查找时均标量值。

2.2.4 预混燃烧的 Zimont 模型
湍流预混燃烧的化学反应采用反应进度(progress variable),c,进行表征,如下:

-----(12) 其中 Yp 和 Yp(ad)分别代表当前和完全绝热燃烧后燃烧产物的质量分数,其取值范围在0到1 之间,0代表未燃混合物,1代表已燃混合物。 若用反应进度 c 代表其平均值,则其输运方程可表达如下:

-----(13) 上式中平均反应速率项如下求解: -----(14) ρ v 代表未燃物密度,Ut 代表湍流火焰传播速度。 湍流预混燃烧的关键在于求解湍流火焰传播速度(位于湍流火焰表面的法线方向),该速度受 两方面馆因素的影响:一是层流火焰传播速度,即决定于燃料和氧化剂的浓度、初始温度、 组分的扩散特性以及化学反应动力学特性; 二是有大涡褶皱和拉伸以及由小涡决定的火焰表 面厚度。根据上述讨论,FLUENTZ 中的湍流火焰传播速度可表达为: -----(15) 式中,A 模型常数,u`速度均方值,Ul 层流火焰传播速度,α =k/ρ Cp 未燃物的分子导热系 数,I=CdU3/ε 湍流长度尺度,τ t 为湍流时间尺度,τ c 为化学反应时间尺度。 为考虑火焰拉伸所导致的吹熄现象, 在反应速率源项中可乘以一个拉伸因子 G, 它代表了拉 伸所导致火焰不熄火的概率。

-----(16)

2.2.5 部分预混燃烧模型
部分预混燃烧系统是指这样一种预混火焰,其燃料/氧化剂之比不唯一。FLUENT 中的 部分预混模型是非预混模型和预混模型的结合。预混燃烧的反应进度,c,决定了火焰前锋 的位置,在火焰前锋的后面(c=1),混合物已燃,使用守恒标量 PDF 或层流火焰面模型的解; 在火焰前锋的前面(c=0),组分质量分数,温度和密度由混合但未燃烧混合物分数来计算。在 火焰内部,未燃和已燃混合物的线性结合的方法被使用。 部分预混模型求解平均反应进度 c, 平均混合物分数 f 和混合物分数方差 f2的输运方程。 平均标量可由如下的 f 和 c 的 PDF 来计算:

-----(17) 在火焰很薄的假设下,由于存在未燃的反应物和已燃的产物,则平均标量可如下计算:

-----(18)

具体煤粉燃烧算例
1、建立求解模型:连续相(气体) 只有在非耦合求解时非预混燃烧模型才是可用的。 Define---models---solver...

2、打开 RNG k-e 湍流模型 Define---models---viscous...

3、打开非预混燃烧模型 Define---models---species... a、在 Model 下选择 Non-Premixed Combustion。

当点 OK 时,FLUENT 将打开一个对话框,要求输入在模拟中要用到的 PDF 文件。 b、在选择文件对话框中,选择并读入非绝热的 PDF 文件(coal.pdf) 当 FLUENT 读入非绝热 PDF 文件时,它会自动激活能量求解方程,所以你可以不用打开能 量面板激活传热方程。 3、选择 P-1以激活辐射模型。

Define---Models---Radiation....

P1模型是能求解气体和颗粒间辐射传热的模型之一。

2、建立求解模型:离散相
FLIENT 会用离散相模型来模拟煤粉的流动。这模型会预示出单个煤粒的轨迹,每一个都代 表煤的连续流,在交替计算离散相的轨迹和气相连续方程时,煤粒与气相间热量、动量、质 量的传递都将包含其中。 1、耦合离散相与连续相流动预报。 Define---Models---Discrete Phase..... a、在 Interaction 下,选中 Interaction with Continuous Phase 选项。 这选项将激活耦合求解, 在求解中, 离散相的轨迹将会对气相产生影响, 如果不选中这选项, 你仍可以看到煤粒的轨迹,但上述参数对连续相的流动将没有任何影响。

b、定义耦合参数,设定 Number of continous phase interations per DPM interation 为 200; 在一些有着高质量粒子和较大网格尺寸的问题中, 应该给这参数设定高一点的值, 这对低频 率轨迹是很有好处的,为了更完全地聚合气相方程,应先对轨迹进行反复的计算。 c、在 Tracking paramete 下,为 MAX Number of steps 输入500000。 d、打开 Specify Length Scale ,保持 Lenth Scale 的默认值为0.01m。 Length Scale 控制离散相轨迹综合中用到的每一次步数的大小。这儿用到的值0.01m 意味着 10m 长的一段轨迹要计算1000步左右。 e、在 Options 下,选择 Particle Radiation Interation。

2、创建离散相煤的射入轨迹。
煤粉流用初始条件定义, 这初始条件认为煤是进入到气体中。 在颗粒的运动方程的每一 次综合中,FLUENT 将用这些初始条件作为计算的开始点。 在这里,煤的总质量流的比率为2.4653kg/s,在10-160微米直径方向上,假设颗粒是服 从 Rosin-Rammler 尺寸分布的。其他的初始条件以及适当的输入程序将在下面做详细说明。 Define----Injections.....

a、在 Injections 面板中点击 Creat 按钮。

b、Injection Type 向下列表中选择 Surface。 c、在 Particle Type 下,选择 Combusting。 通过 Combustion ,可以激活煤液化作用和煤燃尽的子模型。类似地,如果选择 Droplet 将 会激活小液滴蒸发和沸腾的子模型。 d、在 Material 向下列表中选择 Coal-mv。 Material 列表包含了 FLUENT 数据库中的燃烧颗粒物质。你可以在列表中选择一种适当的

煤,然后在 Materials 面板中对其进行修改。 e、在 Diameter Distribustion 向下列表中选择 rosin-rammler。 煤 粒 的 尺 寸 分 布 是 不 均 匀 的 , 其 直 径 大 小 从 10 微 米 到 160 微 米 , 这 些 尺 寸 分 布 是 与 rosin-rammler 方程相适应的。 f、在 Oxidizing Species 向下列表中选择 O2。 g、在 Point Priperties 下指定初始条件。

h、定义湍流差量。 点击 Turbulent Disoersion ,面板将示出相关的输入数据。

在 Stochastic Tracking 下,打开 Stochastic Modek。 随机跟踪可以模拟湍流颗粒轨迹的作用, 在模拟实际颗粒的分散, 将随机跟踪包含其中是很 重要的。

3、物质:连续相
当需要用到非预混燃烧模型时,prePDF 化学数据库的热力学数据包括密度,比热和成分的 焓将被用到,这些性质将作为 pre-mixture 物质被转换到 FLUENT 中去,这其中只有可以传 输性质,如粘性和导热系数才需要定义。

Define-----Materials.....

1、设定 Thermal Conductivity 为 X。 2、设定 Viscosity 3、在 Absorption Coefficient 的向下列表中选择 wsggm-cell-based。 这个模型指定了一个随着 成分变化而变化的吸热系数。 4、点击 Change/Create 按钮。

4、物质:离散相。
Define-----Materials......

1、从 Materials Type 列表中选择 combustion-particle。 2、在 Combustion Particle Materials 列表中,保持当前的选择(coal-mv)。你可以点击 Database...按钮来查看可用的 combustion-particle 物质。 3、为物质 coal-mv 设置下列常量的参数值。

FLUENT 将用到下列输入值: Density 将影响颗粒的惯性和质量力。 Cp 决定了颗粒温度变化所需要的热量。 Latent Heat 是挥发份蒸发所需要的热量。当在煤燃烧中用非预混燃烧模型 的时侯,这值通常设为0。如果为了节省燃料的热量,而选中挥发份成份的话, 那么潜热也会包含在其中(但是,如果水被作为气相的水蒸汽而含在挥发分中 的话,你就应该用非0 的潜热值) 。 Vaporization Temperature 是煤开始液化时的温度。它应该与prePDF 中用到 的燃料入口温度相等。 Volatile Component Fraction 确定了液化的每一煤粒的质量。 Binary Diffusivity 颗粒表面的氧化剂的扩散率,用在有扩散率限制的煤燃烬 率方面。 Particle Emissivity 颗粒的辐射系数。在计算辐射到颗粒上的热量的时侯会 用到。 Particle Scattering Factor 颗粒的散射系数。 Swelling Coefficient 确定了煤在液化的过程中直径的变化。膨胀系数为2 就 意味着在挥发份的挥发过程中颗粒尺寸会变为原来的两倍。 Burnout Stoichiometric Ratio 用在有扩散控制的燃烬率的计算方面。另外, 在用非预混燃烧模型时,这参数将没有用。当采用有限速率化学的时候,化学 计量比定义了需要单位质量碳的氧化剂的质量。默认值为将C(s)氧化成CO2 的 所需量。 Combustible Fraction 是煤粒中碳的质量分数。它决定了被碳燃烬子模型消 耗的每一煤粒的质量。 4.为Devolatilization Model 选择Single Rate Devolatilization Model。 (a)在 Devolatilization Model 向下列表中选择 single-rate 选项。

这将打开 Single Rate Devolatilization Model 面板。

(b)保持面板中默认的液化模型参数。 5.为 Combustion Model.选择kinetics/diffusion-limited。 (a)在Combustion Model 向下列表中选择kinetic/diffusion-limited 选项。 这将打开 Kinetics/Diffusion Limited Combustion Model 面板。

(b)保持默认值不变。 6.点击 Change/Create,并关闭 Materials 面板。

5、边界条件
Define -----Boundary conditions.....

1、速度边界条件

注意:在这儿将根据其强度和水力直径来定义湍流参数。对于助燃空气流 来说 10%的湍流强度是很具有象征性的。水力直径的值为计算值。 在非预混燃烧计算中,需要定义进口的Mean Mixture Fraction 和Mixture Fraction Variance。 在煤燃烧中, 所有的燃料都是离散相的, 所以进口处的混合分数的值为0。 所以,保持默认的 0 值不变。

2、为 wall 区域设定条件(炉壁) 。

我们可以将炉壁当成是等温边界,温度为 700K。

6、求解
1、设置松弛因子 Solve----Controls----Solution.....

2、初始化流场 Solve----Initialize----Initialize.....

点击 Init 按钮初始化流场,并关闭面板。 3、激活在求解过程中剩余的显示。 Define-----Monitors-----Residual.....

4、保存文件。 5、开始计算。 Solve-----Iterate....

补充 :污染物 NO 的形成,为后处理计算,具体计算过程见 FLUENT 帮助,里面很详细的。


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