fluent教程 第五章燃烧模拟.ppt
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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
©燃烧
计算流体与传热传质
有限化学反应速率模型设置
热科学与能源工程系 2003年10月
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:
计算流体与传热传质
FLUENT中组分输运及化学反应 （燃烧）模拟
热科学与能源工程系 2003年10月
Temperature in a gas furnace
©燃烧
计算流体与传热传质
概要
应用 燃烧模拟简介 化学动力学 气相燃烧模型 稀疏相燃烧模型 污染物排放模拟 燃烧数值模拟步骤介绍
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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 部分预混燃烧模型
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
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。.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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
©燃烧
计算流体与传热传质
燃烧模型概要
热科学与能源工程系 2003年10月
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
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
FLUENT提供的燃烧模型
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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
混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:
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
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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.
生成新的混合物. 改变已有混合物的物性/化学反应.
©燃烧
计算流体与传热传质
有限速率模型小节
热科学与能源工程系 2003年10月
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).
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)
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)
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
©燃烧
计算流体与传热传质
混合分数定义
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 :
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。
热科学与能源工程系 2003年10月
Leabharlann Baidu
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.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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)
©燃烧
计算流体与传热传质
有限化学反应速率模型设置
热科学与能源工程系 2003年10月
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:
计算流体与传热传质
FLUENT中组分输运及化学反应 （燃烧）模拟
热科学与能源工程系 2003年10月
Temperature in a gas furnace
©燃烧
计算流体与传热传质
概要
应用 燃烧模拟简介 化学动力学 气相燃烧模型 稀疏相燃烧模型 污染物排放模拟 燃烧数值模拟步骤介绍
热科学与能源工程系 2003年10月
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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 部分预混燃烧模型
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
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。.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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
©燃烧
计算流体与传热传质
燃烧模型概要
热科学与能源工程系 2003年10月
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
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
FLUENT提供的燃烧模型
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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
混合物分数是守恒标量（conserved scalar）:
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
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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.
生成新的混合物. 改变已有混合物的物性/化学反应.
©燃烧
计算流体与传热传质
有限速率模型小节
热科学与能源工程系 2003年10月
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).
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)
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)
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
©燃烧
计算流体与传热传质
混合分数定义
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 :
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。
热科学与能源工程系 2003年10月
Leabharlann Baidu
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.
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
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)