CFD-多组分与燃烧分析
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– 生成新的混合物. – 改变已有混合物的物性/化学反应.
3.Fluent燃烧模型
有限速率模型小节
• 优点:
– 可以应用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustion – 简单、直观 – 应用广泛
• 缺点:
– 不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应 (要 求 Da >>1).
f=0 f=1
f=0
• 多燃料进口的扩散火焰:
60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
21% O2 79% N2 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
f=1 f=0 f=1
3.Fluent燃烧模型
系统化学平衡假设
• 化学反应很快到达平衡. • 可以考虑中间组分.
Rj Rjk k
• Rjk (第k 个化学反应生成或消耗的j 组分)是根据 Arrhenius速率公 式、混合或涡旋破碎（EBU）速率的小值。.
• 混合速率与涡旋寿命相关, k / .
– 物理意义是湍流涡旋是决定化学反应的首要因素。对于非预混燃烧 ，湍流涡旋决定了组分混合；对于预混燃烧湍流决定了热输运（高 温加热低温）。即：化学反应决定于湍流混合组分（非预混燃烧） 和热量（预混燃烧）的速率。
– 满足局部化学平衡. – 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程
度.
• 化学反应机理不明确.
– 用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
• 只求解混合物分数及其方差的输运方程, 无需求解组分的输运方程. • 可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用
3.Fluent燃烧模型
– 预混燃料当量比
– 湍流引起的火焰前锋皱折和增厚
– 湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄
T (1 c )Tunburnt cTad
– 分子扩散
• 适合绝热燃烧,
– 没有严格考虑湍流－化学反应之间的相互作用问题 – 不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响. – 模型常数不确定, 特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模
型常数通用性较差。.
3.Fluent燃烧模型
守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
• 只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 • 假定化学反应过程受混合速率控制
3.Fluent燃烧模型
有限化学反应速率模型设置
• 要求:
– 给出组分及其物性 – 给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据
• FLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据 • 对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息. • 如果用户需要给定个性化机理，则:
3.Fluent燃烧模型
• 有限速率模型 求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定义。
• 非预混燃烧模型 该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者两个 守恒标量（混合分数）的输运方程
• 预混燃烧模型 模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰前锋 分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置
多组分与燃烧分析
1、概述
燃烧模拟
• 广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟
– 燃烧炉 – 锅炉 – 加热器 – 燃气轮机 – 火箭发动机
• 求解内容
– 流场流动特性及其混合特 性
– 温度场 – 组分浓度场 – 颗粒和污染物排放
Temperature in a gas furnace CO2 mass fraction Stream function
混合分数定义
• 混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f Zk Zk,O Zk,F Zk,O
– 其中， Zk 是元素k的质量分数 ；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口 流处的值。
• 对于简单的 fuel/oxidizer系统, 混合物分数代表计算控制体里的燃 料质量分数.
• 混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:
c 与当地应变率有关
3.Fluent燃烧模型
预混燃烧的Zimont模型
• 用单个过程变量来模拟热－化学过程,tBiblioteka cxiuic
xi
t Sct
c xi
Rc
c Yp / Ypad
p
p
0 c1
• 平均反应速率, Rc unburnt Ut c
• 湍流火焰传播速度, Ut, 根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑
2.FLUENT提供的燃烧模型
模拟燃烧过程的化学反应动力学
• 难点与挑战 – 多数实际的燃烧过程是湍流 – 化学反应速率高度非线性; 湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重要。 – 真实化学反应机理包含数十个组分, 数百个基元反应，并且方程组极具刚 性 (基元化学反应时间尺度相差大)
• 实际处理方法 – 简化化学反应机理 • 有限速率燃烧模型 – 考虑湍流及其混合、弱化反应化学 • 混合分数模型 – 平衡化学的 PDF模型 – 层流火焰面模型 • 进展变量模型 – Zimont 模型
• 稀疏相模型
• 湍流颗粒弥散 – 随机轨道模型（Stochastic tracking） – 颗粒云团模型（Particle cloud model） (V5)
• 粉煤与喷油燃烧子模型
• 辐射模型: DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates (V5) • 湍流模型: k- , RNG k- , RSM, Realizable k- (V5) and LES (V5) • 污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and soot
1、概述
燃烧模型概要
稀疏相模型
液滴/颗粒动力学 非均相反应 液化 蒸发
输运控制方程
质量 动量 (湍流) 能量 化学组分
污染物模型
燃烧模型
预混 局部预混 非预混燃烧
辐射换热模型
2.FLUENT提供的燃烧模型
• 气相燃烧
– 有限速率模型 (Magnussen model) – 守恒标量的 PDF模型 (一个或两个混合分数) – 层流火焰面（小火焰）模型 (V5) – Zimont model (V5)
3.Fluent燃烧模型
层流火焰面模型
• 把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非 平衡燃烧模拟中
• 用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰, 对撞扩散火焰
• 用混合分数和标量耗散率来求解（绝热 ）温度、密度和组分等量。 – 对于混合分数 PDF 模型 (绝热), 热 －化学状态只是 f 的函数
i i( f , c) c (f / x)2
• 部分预混燃烧模型 该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。该
方法同时求解了混合分数和反应进展变量
3.Fluent燃烧模型
有限速率模型
• 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.
– 求解当地时间平均的各个组分的质量分数, mj.
• 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 :
– 组分输运方程中没有化学反应源项.
3.Fluent燃烧模型
可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统
• Fuel/air 扩散火焰:
60% CH4 40% CO
21% O2 79% N2
f=1 f=0
• 多氧化剂入口的扩散火焰:
60% CH4 40% CO
35% O2 65% N2
35% O2 65% N2
3.Fluent燃烧模型
有限速率模型小节
• 优点:
– 可以应用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustion – 简单、直观 – 应用广泛
• 缺点:
– 不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应 (要 求 Da >>1).
f=0 f=1
f=0
• 多燃料进口的扩散火焰:
60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
21% O2 79% N2 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
f=1 f=0 f=1
3.Fluent燃烧模型
系统化学平衡假设
• 化学反应很快到达平衡. • 可以考虑中间组分.
Rj Rjk k
• Rjk (第k 个化学反应生成或消耗的j 组分)是根据 Arrhenius速率公 式、混合或涡旋破碎（EBU）速率的小值。.
• 混合速率与涡旋寿命相关, k / .
– 物理意义是湍流涡旋是决定化学反应的首要因素。对于非预混燃烧 ，湍流涡旋决定了组分混合；对于预混燃烧湍流决定了热输运（高 温加热低温）。即：化学反应决定于湍流混合组分（非预混燃烧） 和热量（预混燃烧）的速率。
– 满足局部化学平衡. – 控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程
度.
• 化学反应机理不明确.
– 用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
• 只求解混合物分数及其方差的输运方程, 无需求解组分的输运方程. • 可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用
3.Fluent燃烧模型
– 预混燃料当量比
– 湍流引起的火焰前锋皱折和增厚
– 湍流拉伸引起的火焰前锋淬熄
T (1 c )Tunburnt cTad
– 分子扩散
• 适合绝热燃烧,
– 没有严格考虑湍流－化学反应之间的相互作用问题 – 不能考虑中间产物或组分、不能考虑分裂影响. – 模型常数不确定, 特别是用于计算多个化学反应的时候尤为如此，模
型常数通用性较差。.
3.Fluent燃烧模型
守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
• 只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 • 假定化学反应过程受混合速率控制
3.Fluent燃烧模型
有限化学反应速率模型设置
• 要求:
– 给出组分及其物性 – 给出化学反应及其反应速率在内的化学反应动力学数据
• FLUENT V5 在mixture material database里面提供了数据 • 对于常用的燃料，数据库都会给定机理，组分物性等信息. • 如果用户需要给定个性化机理，则:
3.Fluent燃烧模型
• 有限速率模型 求解组分的质量分数输运方程，化学反应机理由用户自己定义。
• 非预混燃烧模型 该模型中并不求解单个组分的输运方程，而是求解一个或者两个 守恒标量（混合分数）的输运方程
• 预混燃烧模型 模拟完全混合的燃烧问题。充分混合的燃烧物和产物被火焰前锋 分隔，求解出的化学反应进展变量来描述该火焰前峰的位置
多组分与燃烧分析
1、概述
燃烧模拟
• 广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟
– 燃烧炉 – 锅炉 – 加热器 – 燃气轮机 – 火箭发动机
• 求解内容
– 流场流动特性及其混合特 性
– 温度场 – 组分浓度场 – 颗粒和污染物排放
Temperature in a gas furnace CO2 mass fraction Stream function
混合分数定义
• 混合分数, f, 写成元素的质量分数形式:
f Zk Zk,O Zk,F Zk,O
– 其中， Zk 是元素k的质量分数 ；下标 F 和O 表示燃料和氧化剂进口 流处的值。
• 对于简单的 fuel/oxidizer系统, 混合物分数代表计算控制体里的燃 料质量分数.
• 混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:
c 与当地应变率有关
3.Fluent燃烧模型
预混燃烧的Zimont模型
• 用单个过程变量来模拟热－化学过程,tBiblioteka cxiuic
xi
t Sct
c xi
Rc
c Yp / Ypad
p
p
0 c1
• 平均反应速率, Rc unburnt Ut c
• 湍流火焰传播速度, Ut, 根据贫燃预混燃烧推导得到，并考虑
2.FLUENT提供的燃烧模型
模拟燃烧过程的化学反应动力学
• 难点与挑战 – 多数实际的燃烧过程是湍流 – 化学反应速率高度非线性; 湍流－化学反应高度耦合，相互作用很重要。 – 真实化学反应机理包含数十个组分, 数百个基元反应，并且方程组极具刚 性 (基元化学反应时间尺度相差大)
• 实际处理方法 – 简化化学反应机理 • 有限速率燃烧模型 – 考虑湍流及其混合、弱化反应化学 • 混合分数模型 – 平衡化学的 PDF模型 – 层流火焰面模型 • 进展变量模型 – Zimont 模型
• 稀疏相模型
• 湍流颗粒弥散 – 随机轨道模型（Stochastic tracking） – 颗粒云团模型（Particle cloud model） (V5)
• 粉煤与喷油燃烧子模型
• 辐射模型: DTRM, P-1, Rosseland 和Discrete Ordinates (V5) • 湍流模型: k- , RNG k- , RSM, Realizable k- (V5) and LES (V5) • 污染物排放模型: NOx with reburn chemistry (V5) and soot
1、概述
燃烧模型概要
稀疏相模型
液滴/颗粒动力学 非均相反应 液化 蒸发
输运控制方程
质量 动量 (湍流) 能量 化学组分
污染物模型
燃烧模型
预混 局部预混 非预混燃烧
辐射换热模型
2.FLUENT提供的燃烧模型
• 气相燃烧
– 有限速率模型 (Magnussen model) – 守恒标量的 PDF模型 (一个或两个混合分数) – 层流火焰面（小火焰）模型 (V5) – Zimont model (V5)
3.Fluent燃烧模型
层流火焰面模型
• 把混合分数 PDF扩展到模拟中度化学非 平衡燃烧模拟中
• 用层流拉伸火焰系综来模拟湍流火焰, 对撞扩散火焰
• 用混合分数和标量耗散率来求解（绝热 ）温度、密度和组分等量。 – 对于混合分数 PDF 模型 (绝热), 热 －化学状态只是 f 的函数
i i( f , c) c (f / x)2
• 部分预混燃烧模型 该模型用来处理系统中同时具有非预混和充分预混的情况。该
方法同时求解了混合分数和反应进展变量
3.Fluent燃烧模型
有限速率模型
• 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.
– 求解当地时间平均的各个组分的质量分数, mj.
• 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 :
– 组分输运方程中没有化学反应源项.
3.Fluent燃烧模型
可以用单个混合物分数模拟的燃烧系统
• Fuel/air 扩散火焰:
60% CH4 40% CO
21% O2 79% N2
f=1 f=0
• 多氧化剂入口的扩散火焰:
60% CH4 40% CO
35% O2 65% N2
35% O2 65% N2