Fluent学习资料教程集锦13-fluent_反应流模型

IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008FLUENT中的反应流模型IntroductoryFLUENTTrainingIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008大纲 基本概念 FLUENT中的反应流模型总览 快速化学模型 涡耗散模型(EDM) 预混模型 非预混模型 部分预混模型 有限速率化学模型 层流有限速度模型 涡耗散概念模型(EDC) 组分PDF输运模型 非预混火焰中的层流小火焰 其它模型 污染物行成模型(PollutantFormationModels) 表面反应 附录化学反应在各行各业中都会遇到，煤粉燃烧、汽车内燃机、固体火箭发动机中燃烧等等，那么在流体仿真中不可避免需要用到化学反应模型。这个部分我们将介绍fluent强大丰富的化学反应模型。分为以下几个部分。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008反应流系统应用 FLUENT化学反应模型可以应用于很大范围内的均匀和非均匀反应流。 熔炉 锅炉 加热器 燃气涡轮 火箭发动机 可以预估 流场和混合特征 温度场 介质浓度 微粒和污染物 （pollutants）\Let’sgoaheadandgetstartedwithanintroductorydiscussionofcombustionmodelsandthedifferentkindsoftoolsthatarewithinFluenttohandlecombustionapplications.There’sawiderangeofproblemsthatcanbehandledbytheFluentsoftwareforhomogeneousaswellasheterogeneousreactingflowsthatyoumightfind,forexample,infurnaces,boilers,processheaters,gasturbinesandrocketengines.So,typically,peoplewhoareusingourcodeforthesekindsofapplicationsareinterestedinanumberofdifferentresults.They’reinterestedinlookingattheflowfieldandthemixingcharacteristicsforfuelandoxidizerwithintheirapplication.They’realsointerestedinthetemperaturefieldtoanswerquestionlike:Isthetemperatureuniform?Aretherehotspots?What’sthemaximumtemperaturewithinthedevice?They’relookingatspeciesconcentrations,andinparticular,oftentimespeopleareinterestedinlookingatpollutantemission,likeNOX,andatparticulatedispersion.Sothere’sawiderangeofinterestsbypeoplethatareusingoursoftwareforcombustionmodelingandwehaveavarietyofphysicalmodelsandtoolsavailabletohandletheseproblems.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008反应流模拟的难点 湍流 大多数工业产生的流体流动都是湍流。 因为具有很大的时间和空间尺度，所以对非反应湍流和反应湍流，DNS方法并不适用。 化学 现实中的化学反应不能使用单一的反应方程来表示。 十几种组分，可能有上百种反应。 只有有限数量的燃料知道反应细节。 反应时间尺度范围大 湍流和化学间的交互作用 化学反应速率的变化和湍流中物质混合程度有十分密切的关系。直接数值模拟方法（DNS方法）。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008燃烧中的化学动力学模拟 简化化学模型(使用有限速度/涡耗散方法). 考虑全局的化学反应原理。 化学反应与湍流混合过程分离考虑（使用混合比方法） 平衡化学PDF模型 层流火焰模型 部分预混模型 模拟详细化学反应(占资源) 需要特别小的时间步长来满足数值的稳定性和收敛性 使用stiffsolver将可以允许稍大的时间步长。Sowe’relookingforpracticalapproachestodealwiththesereactionratesinturbulentflows.So,youcanusereducedchemicalmechanismsandthat’swhatisdoneinthefiniteratecombustionmodel.WecanalsodecouplethechemistryfromtheturbulentflowandmixingproblemandwedothatwiththePDFmodelandthelaminarflameletmodel.Wecanalsoutilizewhat’scalledaprogressvariabletoperformthisdecoupling,andthat’swhat’stheZimontmodelisabout.We’lltakealookateachofthesemodelsinmoredetaillateron.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008反应流模拟总览输运控制方程质量动量湍流能量化学组分离散相模型液滴/质点动力学异相化学反应液化作用蒸发作用反应模型快速化学反应有限速率化学反应预混部分预混非预混污染物模型(NOx,烟灰等.)辐射模型IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008反应系统定义 反应系统可以分成两类 同相反应 反应物与产物同相。 异相反应 反应物与产物不同相。 表面沉积的化学物质被认为与相同组分的气相物质不同。 沉积率同时受化学动力学和组分扩散率影响。 壁面反应是产生体相中化学物质的来源，而且决定了 表面的沉淀比例。 表面反应：CVD,催化反应CVD化学气相沉积IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008同相反应 非预混反应系统 反应物从火焰的两边对流/扩散进入。 可以简化成混合问题。 湍流旋涡扰动层流火焰形状加强了混合。 预混反应系统 传播速率（火焰速度）取决于内部火焰结构。 比非预混燃烧问题更难建模。 湍流扰动层流火焰形状，加速火焰传播。 部分预混反应系统 反应系统包括非预混和预混流。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008反应流问题的特征 反应流问题通过一系列无量纲变量来表示。 两种最重要的无量纲变量是Reynolds数和Damköhler数。 Reynolds数 ρ,U,L,μ分别是密度，速度，特征长度和动力粘性系数 高雷诺数将表现为湍流 Damköhler数 高Damköhler数（Da>1）表示需要使用气相湍流燃烧模型。OftentimeswehavereferredtodimensionlessnumberssuchastheReynoldsnumber.TheReynoldsnumberistheratioofinertialtoviscousforces.HighReynoldsnumbersleadtoturbulentflowsandturbulencemodelsarevalidathighReynoldsnumbers.SoyoumaywanttostartbyevaluatingtheReynoldsnumberforyourmodelinordertodeterminewhichapproachesaremostapplicable.We’lltalkaboutDamkohlernumbers,especiallywithinthecontextofgasphasecombustionmodels.TheDamkohlernumberistheratioofthemixingtimescalestothechemicaltimescales.Soifyouhavefastchemistry,youhaveaverysmallchemicaltimescalesandtheDamkohlernumberishigh.Ifyou’retalkingaboutchemistrythatisveryslow,relativetothemixingtimescaleswithinyourmodel,thenyouhavealowDamkohlernumberregime.It’simportanttokeepinmindthatgasphaseturbulentcombustionmodelsaremostvalidathighDamkohlernumbers.Damköhler数丹克莱尔的定义是混合时间与化学反应所需时间的比例。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008反应流问题的特征 马赫数Machnumber 高马赫数(Ma>0.3)表示可压缩性表现明显。 对于低马赫数流动，可以使用非预混模型。 Boltzmann数 高Boltzmann数表示对流是主要的传热形式。 当Bo<10时，需要考虑辐射传热。Stefan-Boltzmannconstant5.672×10-8W/m2·K4Localspeedofsound(sonicvelocity)Thesearesomeadditionaldimensionlessnumbersthatwillcomeup:theMachnumberistheratiooftheconvectivespeedtotheacousticspeed,andkeepinmindthatthemixturefractionPDFmodelisvalidforlowMachnumberorincompressibleflowsonly.TheBoltzmannnumberisalsoausefulnumbertoevaluateifyouareconsideringwhetherradiationhasanimportantinfluenceonyourmodel.TheBoltzmannnumberisarationofconvectivetoradiationheattransfer,andtheruleofthumbisthatradiationisimportantforBoltzmannnumberslessthan10.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008*Rateclassificationnottrulyapplicablesincespeciesmassfractionisnotdetermined.CHEMISTRYFLOWCONFIGURATIONFLUENT中反应流模型概览 Premixed Non-Premixed PartiallyPremixed FastChemistry EddyDissipationModel(SpeciesTransport) PremixedCombustionModel Non-PremixedEquilibriumModel PartiallyPremixedModel ReactionProgressVariable* MixtureFraction ReactionProgressVariable+MixtureFraction Finite-RateChemistry LaminarFinite-RateModel Eddy-DissipationConcept(EDC)Model CompositionPDFTransportModel LaminarFlameletModelSteady/UnsteadyIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008 涡耗散 使用1步或者2步总包（热扩散）反应原理. 化学反应速率由湍流混合速率决定。 有限速率项选择预混合火焰。 非预混模型 使用混合物比例和假定的PDF替代求解化学平衡中的物质输运和反应比例方程。 层流小火焰模型用于中等的非平衡化学反应。 预混模型 使用反应程序.c文件建立化学反应。 湍流火焰速度闭合--Zimont模型。 部分预混合 联合非预混和预混模型。 两种模型都假设成立。 涡耗散概念(EDC) 为湍流火焰建立湍流/化学交换作用的模型。 包括详细的化学反应。 PDF传输模型 比EDC模型更加严格的考虑湍流-化学之间的相互作用。 考虑更充分，但也占用更多的计算机资源!同相（气相）燃烧模型IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008 基本概念 FLUENT中的反应流模型总览 快速化学模型 涡耗散模型(EDM) 预混模型 非预混模型 部分预混模型 有限速度化学模型 层流有限速度模型 涡耗散概念模型(EDC) 组分PDF输运模型 非预混火焰中的层流小火焰 其它模型 污染物行成模型(PollutantFormationModels) 表面反应 附录大纲IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008涡耗散模型(EDM) 适用条件 流域： 湍流(高雷诺数) 化学： 快速化学反应(高Da) 构造： 预混/非预混/部分预混 案例： 气体反应 煤燃烧 限制条件 当混合和运动时间尺度大小相似时(Da~1)，结果不可靠。 不能预测中间组分和离解效果。 不能模拟动力学细节现象，比如点火，熄火和低Da数流。 求解物质输运方程，湍流混合控制反应速率。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008预混燃烧模型 适用条件： 流域： 湍流(高雷诺数) 化学： 快速化学反应(高Da数) 构造： 只有预混气流 案例： 预混合反应流系统 贫氧预混燃气涡轮燃烧室 限制条件 不能模拟化学动力学中的细节（比如点火，熄火和低Da数流动）。 使用反应进展变量追踪火焰前沿轨迹(Zimont模型)。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008非预混平衡模型 适用条件 流域： 湍流(高雷诺数) 化学： 快速化学反应(高Da),假定平衡环境 构造： 只有非预混合 案例 气体反应（熔炉，火炉）。对于需要模拟中间产物浓度和离解效应的问题，那么采用这种模型是个较好的选择，不需要知道详细的化学反应速率。 限制条件 当混合和运动时间尺度大小相似时(Da~1)，结果不可靠。 不能模拟化学动力学细节现象（比如点火，熄火，低Da数流动）。 求解输运方程中的混合分数和混合分数变化。(不是单独的物资方程)。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008部分预混燃烧模型 适用条件 流域： 湍流(高雷诺数) 化学： 平衡或者适度的非平衡（火焰） 构造： 只有部分预混合 案例 有冷却孔的燃气涡轮燃烧室。 同时有预混和非预混流的系统。 限制条件 当混合和运动时间尺度大小相似时(Da~1)，结果不可靠。 不能模拟化学动力学细节现象（比如点火，熄火，低Da数流动）。 部分预混模型中，结合了反应进度变量和混合分数方法。输运方程需 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 解反应进度变量，混合分数和混合分数变化。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008大纲 基本概念 FLUENT中的反应流模型总览 快速化学模型 涡耗散模型(EDM) 预混模型 非预混模型 部分预混模型 有限速度化学模型 层流有限速度模型 涡耗散概念模型(EDC) 组分PDF输运模型 非预混火焰中的层流小火焰 其它模型 污染物行成模型(PollutantFormationModels) 表面反应 附录IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008详细化学反应模型 详细化学反应的控制方程一般难以求解： 上十种物质 上百种反应 反应时间尺度间的差别较大 详细化学动力学建模： 火焰点燃和熄灭 污染物(NOx,CO,UHCs) 慢化学反应(非平衡) 液体间反应 可用的模型： 层流有限速率 涡耗散概念模型(EDC) PDF输运 动力学模型(需要附加的license) CHEMKIN-格式的反应机理和热物理性质，可以直接输入。 FLUENT使用In-SituAdaptiveTabulation(ISAT)算法加速计算（可以用于层流，EDC,PDF输运模型）。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008层流有限速率模型 适用条件 流域： 层流(低雷诺数) 化学： 有限速率化学反应 构造： 预混/非预混/部分预混 案例 层流扩散火焰。 煤气炉中的层流预混合火焰。 限制条件 需要占用较多的CPU资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。 一般不适合湍流燃烧模型。 层流有限速率模型需要使用刚性化学求解器（stiffchemistrysolver）(pressure和density求解器都有效)。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008涡耗散概念模型(EDC) 适用条件： 流域： 湍流(高雷诺数) 化学： 有限速率化学反应 构造： 预混/非预混/部分预混 案例： 湍流反应流中的有限速率化学反应 CO的缓慢燃烧 NOx形成 限制条件： 需要占用很多的CPU资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。 （附录中有详细说明）。 EDC模型是涡耗散模型在湍流中模拟有限速率化学反应的扩展。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008PDF输运模型 适用条件： 流域： 湍流(高雷诺数) 化学： 有限速率化学反应 构造： 预混/非预混/部分预混 案例： 湍流反应/燃烧流，预混有限速率现象，例如CO和NOx的形成 液体间的反应 限制条件 PDF输运模型使用了蒙特卡洛方法，十分占用计算机资源。默认使用ISAT算法进行计算加速。 湍流火焰加入了有限速率化学反应，使用了复合概率密度函数 （PDF）输运模型。 比EDC模型更严格 使用蒙特卡洛方法IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008定常和非定常小火焰模型 适用条件： 流域： 湍流(高雷诺数) 化学： 由于空气动力学约束形成的适度 非平衡 构造： 只有非预混合 案例： 预测喷流火焰 内燃机（只有柴油机非定常火焰子模型） 液体间的反应(非定常火焰子模型) 限制条件 定常方法不能模拟详细化学动力学中的实际现象(比如点火，熄火和低Da数流)。 层流火焰模型中，解算出输运方程中的混合分数变化。为考虑非平衡效果，计算了梯度扩散（火焰应变比例）。FlameletstructureChemicaltimescaleisveryshortwithinaverythin,fuelconsumptionlayer.IfthislayeristhincomparedWiththesizeofaKolmogoroveddy,itisembeddedwithinthequasi-laminarflowfieldofsuchaneddyandtheassumptionOfalaminarflameletisjustified.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008大纲 基本概念 FLUENT中的反应流模型总览 快速化学模型 涡耗散模型(EDM) 预混模型 非预混模型 部分预混模型 有限速度化学模型 层流有限速度模型 涡耗散概念模型(EDC) 组分PDF输运模型 非预混火焰中的层流小火焰 其它模型 污染物行成模型(PollutantFormationModels) 表面反应 附录IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008污染物形成模型 NOx形成模型(定性预测NOx形成趋势). FLUENT包括三种计算NOx产物的反应模型 ThermalNOx PromptNOx FuelNOx NOx再燃烧模型 选择Non-CatalyticReduction(SNCR)模型 烟灰形成模型 一步和两步模型 烟灰影响辐射吸收(在Soot面板中选择Soot-Radiation选项) SOx形成模型 求解SO2,H2S的附加方程,以及SO3附加方程可选。 通常，SOx预测是个后处理过程。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008表面反应 化学物质沉淀在表面，和气体中相同的化学物质有个明显的分界。 每个表面吸附（或者点）物质都要求解点平衡方程。 可以考虑详细的表面反应机理(任意数量的反应步和任意数量的气体相或/和点物质)。 CHEMKIN格式的表面化学反应机理可以导入。 表面反应可以发生在壁面或者多孔介质上。 不同的表面反应机理可以运用在不同的表面。 案例 催化反应 CVDIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008Outline 基本概念 FLUENT中的反应流模型总览 快速化学模型 涡耗散模型(EDM) 预混模型 非预混模型 部分预混模型 有限速度化学模型 层流有限速度模型 涡耗散概念模型(EDC) 组分PDF输运模型 非预混火焰中的层流小火焰 其它模型 离散相模型(DPM) 污染物行成模型(PollutantFormationModels) 表面反应 附录IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008附录IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008涡耗散模型(EDM) 估计平均反应率（物质k），Rk模型。 使用eddy-breakupmodel模拟反应率 假设化学反应比湍流混合化学物质进入火焰的速度快得多。(Da>>1) 燃烧完全通过湍流混合比例控制，湍流混合比例是指大涡存在时间标量比例,k/ε。 总包反应（一步或两步） 每种物质都需要解算雷诺（时间）平均物质质量分数方程。 有限比例/涡耗散选项 反应率是Arrhenius比例和涡耗散比例的最小值。Thelarge-eddylifetimescale(k/epsilon)istheintegraltimescaleIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008非预混模型 湍流中无限快速反应，当油和氧化剂混合（有限的混合）的时候，瞬间达到化学反应平衡。 物质和焓输运方程合并成为单一的混合分数守恒方程，f，它满足下列假设条件： 物质扩散系数相等Speciesdiffusioncoefficientsareequal 每种物质的Lewis数必须一致相等 中等马赫数 混合分数可以直接和物质质量分数，混合密度，混合温度相关。这些关系称作瞬间（不是时间平均的）数据。 使用概率密度函数把瞬间数据转变成为时间平均数据（湍流反应流模拟预估时间平均属性）。IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008 复合概率密度函数（PDF）输运模型用来模拟湍流焰中的有限速率化学反应。 比EDC模型更严格 可以从PDF中通过下式计算出平均反应率： PDF输运方程有十分高的维度，而且不能用有限体积方法求解，是通过蒙特卡洛方法解算的。复合PDF输运模型IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008In-SituAdaptiveTabulation(ISAT)算法 初衷 当使用详细化学反应模型（EDC，综合PDF，层流有限比例）时，每个单元（或者每个粒子）在每步迭代都需要求解刚性反应系统（ODE的集合） 需要一种高效的方法获得只关心部分的数据。 In-situadaptivetabulation(ISAT)方法可以加快反应表格的生成和数据的查看。 优点 避免重复的数值积分，节省了计算机CPU的计算时间。 初始迭代比较慢（表格正在建立），但是计算在加速运转中。 适用条件 ISAT可以使用于PDF输运,EDC,和层流有限比例模型IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008NOx模型 NOx由氮的氧化物组成，对环境有害 FLUENT有三种计算NOx产生的机理。 ThermalNOx 高温时十分有效 PromptNOx 在富燃区有效 FuelNOx 燃料中氮的含量高而且温度也相对较低时使用 User-definedfunction NOx再燃 NO可以通过和富含燃料区域中的碳氢化合物反应而减少。 Non-CatalyticReduction(SNCR)模型。 NOx形成的定性预测IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008示例 富燃，预混火焰 EDC PDF传输 层流有限速率 IFRF旋涡煤粉火焰 详细化学反应模型 DPM 辐射 GELM-1600燃气涡轮燃烧室 非预混，层流小火焰 温度和燃料NOx预测 D形西瓜火焰（SandiaFlameD） 非预混湍流扩散火焰 EDC/PDF传输比较 催化燃烧 表面反应 多孔介质IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008案例学习:富燃预混合火焰 富燃预混合预蒸发（LPP）丙烷/空气火焰 减少燃烧污染物(CO和NOx)的扩散 轴对称火焰管 几何量 d=10.25cm,L=42.92cm 丙烷/空气混合物 V=25m/s,T=800K 火焰稳定段 51%openareaPropane/air7,056quadelements*D.N.Anderson,NASALewisResearchCenter,NASA-TM-X-71592,March1975.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008富燃预混合火焰 湍流化学相互作用弱 完全预混合 火焰区薄 化学反应正好在火焰阵面之后发生 丙烷详细的化学机理 NO和N2O形成的Kundu机理 17种物质和23步反应 有限速率化学燃烧模型 层流有限速率模型 完全忽略湍流-化学间的相互影响。 EDC模型 可能导致NOx的低预测—反应发生非常快，而且NOx只有很少的时间累积 复合PDF输运 正确模拟湍流-化学相互作用*K.P.Kunduetal.,NASALewisResearchCenter,AIAAPaperNo.98-3986,July1998IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008PDFmodelLaminarFinite-RateModelEDCmodel富燃预混合火焰–温度云图IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008IFRF旋涡煤粉火焰 IFRF工业生产规模的电炉 1997年，Peters和Weber进行的模拟仿真，“建立2.4兆瓦的旋涡煤粉火焰数学模型,”CombustionScienceandTechnology,122,131[Ref.1]Exhaust7CoolingloopsMeasurementLocationsz=0.25m,z=0.85mInletSwirlNumber=0.923FlowRate=2684kg/hrCoalflowrate=263kg/hrCoal+transportair=421kg/hr1/4GeometryTheInternationalFlameResearchFoundationExperimentalFacilityprovidesanexcellentvalidationresourceforindustrialcoalcombustionmodels.Comprehensivein-flamemeasurementsoftemperature,speciesandvelocitieshavebeenmadeinanunstaged,swirl-stabilized,pulverizedcoalflame.Thiscaseisbasedontheextensionofthe2-dimensionalsimulationofthis2.4MWfurnacebyPetersandWeberto3dimensions.Boundaryconditionsandmaterialpropertiesareborrowedfromthisreferencewhereappropriate.Aonequartermodelisused,asyoucanseefromthisillustration.Pleasenotethemeasurementlocationatz=0.25mandz=0.85mwherethenumericalpredictionswerecomparedtoexperimentaldata.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008网格 三维周期的四分之一几何模型 非结构六面体网格 自适应前7万单元 对靠近入口区域自适应后有26万单元 最大的网格扭曲度是0.53AsImentionedbefore,onlyonequarterofthegeometrywasmodeledduetotheperiodicityoftheflow.Anunstructuredhexahedralmeshof70,000cellswasusedinitially.WewereabletokeepalownumberofcellsbecausethegeometrycanbeeasilymeshedwithGAMBIT’sCoopertool.Someadaption,however,wasusedintheinletregiontoimprovethesolutionaccuracy.Thefinalcellcountwasaround260,000withamaximumequi-angleskewof0.53whichisverygoodfora3-Dhexahedralmesh.Typically,wewanttokeeptheequi-angleskewbelowthe0.85limit,especiallyfor3-Dtetrahedralorhybridmeshes.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008气相燃烧模拟ContoursofMeanTemperature(K)Hereyouseethemeantemperaturecontoursandcanclearlydistinguishtheflameregioninred.Thequarlcausesalargerecirculationwhichmakestheparticlesrecirculateandspendmoretimeinthehotregion.Thedevolatilizationtakesplaceinsidethequarlbecauseofthehightemperaturesandthelongresidencetimeofparticles.So,thequarlisresponsibleforstabilizingtheflameandfosteringtheparticlecombustionprocess.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008离散相 GottelbornhvBb煤 起始(重量%,干燥) 挥发物55.0,固定碳36.7,灰8.3 最终(重量%,daf) 80.36C,5.08H,1.45N,0.94S,12.17O. 较低的生热值(LCV,MJ/kgdaf) 挥发物32.3,烧焦32.9 Rosin-Rammler大小分布 最小1μm,最大300μm,平均45μm,带宽1.36 单比例devolatization模型 A=2×105s-1 E=7.4×107J/kmol Kinetics/diffusion-limited表面燃烧 随机轨道模型 每步DPM迭代21600轨迹,10个粒子大小 每步DPM迭代中进行25种气相迭代ThisIFRFmodelisapulverizedcoalfurnace.So,weneedtousethediscretephasemodeltotrackcoalparticlesandmodeltheirinteractionwiththegasphase.ThisfurnaceisfiringGottelborncoalwiththefollowingproximateandUltimateanalysis.TheLowercalorificvalueusedis32.3MJperkgforvolatilesand32.9MJperkgforchar.Inordertoaccountforthesizedistributionofthecoalparticlesasafunctionofthemassflowrate,theRosin-Rammlermethodisused.Particlesizesvaryfrom1micronto300microns.Themeandiameterisaround45micronsandthespreadparameteris1.36.Fordevolatilization,we’reusingthesingleratemodel.Itassumesthattherateofdevolatilizationisfirst-orderdependentontheamountofvolatilesremainingintheparticle.ThekineticrateisdefinedbyinputofanArrheniustypepre-exponentialfactorAandanactivationenergyE.Forcharsurfacecombustion,we’reusingthekineticsdiffusion-limitedmodelwhichassumesthatthesurfacereactionrateisdeterminedeitherbykineticsorbydiffusionrate.Infact,adiffusionrateandanArrheniustyperateareweightedtoyieldacharcombustionrate.TheinputrequiredforthismodelareOxygendiffusionrateconstant,theactivationenergyEandthepre-exponentialfactorA.AnotherimportantissuetoconsiderwiththeDPMmodelistheturbulencedispersion.We’reusingthediscreterandomwalkmodelinthecontextofthestochastictrackingapproach.Theoverallnumberoftracksis21,600for10particlesizes.ThenumberofgasphaseiterationsbetweenDPMiterationsis25.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008温度/组分结果平均温度(K)平均NO(ppm,dry)Hereweseethetemperatureandoxygenvolumefractionsatthesamedownstreamzlocations.ThetemperatureisoverpredictedandtheoxygenconcentrationunderpredictedbecausetheMagnussenmodelisburningtoorapidly.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008GELM-1600燃气涡轮燃烧室 CourtesyNovaResearchandTechnologyCorp.,Calgary,Canada 非预混合,天然气 12.8MW,19:1压力比(全负荷) 环形燃烧室,18个喷嘴SwirlvanesFuelinletnozzlesDilutionairinletsInthistestcase,wearestudyingahighNOxgasturbinecombustor.Thecompany,NovaResearchandTechnologyCorporation,isinterestedinpredictingNOxconcentration.This12.8MWcombustorburnsanunstaged,non-premixed,naturalgasflame.Ithasanannularcombustionchamberequippedwith18equidistantnozzles.Eventhoughthefuelisnaturalgas,weusedpuremethaneforthissimulation.Theillustrationhereshowsasliceofthegeometryandpointsoutthevariousfuelandoxidizerinlets.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008气相燃烧模拟ContoursofMeanTemperature(K)Thisimageshowsthecontoursofmeantemperatureatdifferentlocations.Wecanclearlynoticetheeffectofswirlontheshapeoftheflame.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008NOx模拟 ThermalandfuelNOx ContoursofMeanNO(ppm,wet)WeshowherecontoursofNOconcentrationinpartspermillion.TheNOxmodelingwasdoneinpost-processing,andweaccountedforboththermalandpromptNOxeventhoughpromptNOxrepresentsonly5%ofthetotalNOx.TheZeldovichmechanismusedtomodelthermalNOxrequiresOxygenatomconcentration.However,inthiscasewedon’tneedtousethepartialchemicalequilibriumassumptiontocalculateO-atomconcentrationbecauseitiswellpredictedwithanadvancedchemistrymodellikethelaminarflameletmodel.WealsousedanassumedshapebetaPDFtoaccountforturbulenceeffectsontheNOreactionrate.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008NOx模拟 NO出口流量vs.燃烧室负荷Infact,theplotshownhereimpliesthattheneteffectoflowertemperaturesandhigheroxygenconcentrationswiththelaminarflameletmodelgivesbetterNOxpredictions.ThepredictionsofNOfluxexitingthecombustorareobviouslymuchclosertoexperimentaldatawiththeflameletmodelthanwiththechemicalequilibriumapproach.IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008D形西瓜火焰-PDF输运 试验 非预混合甲烷，湍流扩散火焰 D形西瓜火焰 几何 2352个矩形网格单元的轴对称网格 湍流 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 k–ε，其中Cε1=1.52,，ScT=1.0 混合 使用Cφ=2，IEM和修正Curl 化学 16种组分IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008Redsymbol:Experiment,Bluesolidline:ModifiedCurl,Greendashedline:IEMMeanTemperatureRMSTemperatureMeanCOIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008催化燃烧 单通道模拟: 在壁面发生的反应 二维轴对称几何 整体模拟: 假设整体为多孔介质 多孔介质中考虑压力下降和流体加速 多孔介质中有反应的发生(指定表面体积比) 二维轴对称几何IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008单通道IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008L=10cmD=2mmCH4airPlatinumCatalystT=1290K模型设置–单通道 边界条件: 体积分数: 3%CH4 入口流速:5m/s 入口温度:600K 气相物质: CH4,O2,H2,H2O,CO,CO2,N2,OH 表面物质: Pt(s),H(s),O(s),OH(s),H2O(s),H3(s),CH2(s),CH(s),C(s),CO(s),CO2(s)IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008主要气体组分质量分数云图IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008 H2/CH4催化燃烧 边界条件: 入流组分 Air/CH4/H2mixture 入流速度 0.8m/s 入流温度 300K 10种气体物质和12种点物质 绝热边界条件 二维轴对称InletOutletReactingzone-catalyst多孔介质中的表面反应(多通道)IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008温度vs.摩尔分数IntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6.3Aug2008计算结果 Inletmethanefeed1.5%CH4molefractioncontourInletmethanefeed3.0%CH4molefractioncontour化学反应在各行各业中都会遇到，煤粉燃烧、汽车内燃机、固体火箭发动机中燃烧等等，那么在流体仿真中不可避免需要用到化学反应模型。这个部分我们将介绍fluent强大丰富的化学反应模型。分为以下几个部分。\Let’sgoaheadandgetstartedwithanintroductorydiscussionofcombustionmodelsandthedifferentkindsoftoolsthatarewithinFluenttohandlecombustionapplications.There’sawiderangeofproblemsthatcanbehandledbytheFluentsoftwareforhomogeneousaswellasheterogeneousreactingflowsthatyoumightfind,forexample,infurnaces,boilers,processheaters,gasturbinesandrocketengines.So,typically,peoplewhoareusingourcodeforthesekindsofapplicationsareinterestedinanumberofdifferentresults.They’reinterestedinlookingattheflowfieldandthemixingcharacteristicsforfuelandoxidizerwithintheirapplication.They’realsointerestedinthetemperaturefieldtoanswerquestionlike:Isthetemperatureuniform?Aretherehotspots?What’sthemaximumtemperaturewithinthedevice?They’relookingatspeciesconcentrations,andinparticular,oftentimespeopleareinterestedinlookingatpollutantemission,likeNOX,andatparticulatedispersion.Sothere’sawiderangeofinterestsbypeoplethatareusingoursoftwareforcombustionmodelingandwehaveavarietyofphysicalmodelsandtoolsavailabletohandletheseproblems.直接数值模拟方法（DNS方法）。Sowe’relookingforpracticalapproachestodealwiththesereactionratesinturbulentflows.So,youcanusereducedchemicalmechanismsandthat’swhatisdoneinthefiniteratecombustionmodel.WecanalsodecouplethechemistryfromtheturbulentflowandmixingproblemandwedothatwiththePDFmodelandthelaminarflameletmodel.Wecanalsoutilizewhat’scalledaprogressvariabletoperformthisdecoupling,andtha