第三章 fluent仿真有限速率燃烧模型

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Baidu Nhomakorabea

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。
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
缺点
不适合湍流燃烧
' 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。
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。
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
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；
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。
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
ˆ 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
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
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。
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 * *
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
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


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
ˆ R i ,r
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
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
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
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
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 :