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1、 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.ProprietaryFLUENTFLUENT中的反应流模型中的反应流模型中的反应流模型中的反应流模型Introductory FLUENT TrainingIntroductory FLUENT Training10-2 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008大 纲u基本概念uFLUENT中的反应流模型总览u快速化学模型l涡耗散模型(EDM)l预混模型l非预混
2、模型l部分预混模型u有限速率化学模型l层流有限速度模型l涡耗散概念模型(EDC)l组分PDF输运模型l非预混火焰中的层流小火焰u其它模型l污染物行成模型(Pollutant Formation Models)l表面反应u附录10-3 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008Temperature in a Gas FurnaceCO2 Mass FractionStream Function反应流系统应用uFLUENT 化学反应模型可以应用于很大范围内的
3、均匀和非均匀反应流。l熔炉l锅炉l加热器l燃气涡轮l火箭发动机u可以预估l流场和混合特征l温度场l介质浓度l微粒和污染物（pollutants）10-4 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008反应流模拟的难点u湍流l大多数工业产生的流体流动都是湍流。l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。u化学l现实中的化学反应不能使用单一的反应方程来表示。n十几种组分，可能有上百种反应。n只有有限数量的燃料知道反应细节。l反应
4、时间尺度范围大u湍流和化学间的交互作用l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。10-5 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008燃烧中的化学动力学模拟u简化化学模型(使用有限速度/涡耗散方法).l考虑全局的化学反应原理。u化学反应与湍流混合过程分离考虑（使用混合比方法）l平衡化学 PDF模型l层流火焰模型l部分预混模型u模拟详细化学反应(占资源)l需要特别小的时间步长来满足数值的稳定性和收敛性 l使用stiff solver 将可以允许
5、稍大的时间步长。10-6 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008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10-7 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008反
6、应系统定义u反应系统可以分成两类l同相反应n反应物与产物同相。l异相反应n反应物与产物不同相。n表面沉积的化学物质被认为与相同组分的气相物质不同。s沉积率同时受化学动力学和组分扩散率影响。s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。n表面反应：CVD,催化反应10-8 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008同相反应u非预混反应系统 l反应物从火焰的两边对流/扩散进入。l可以简化成混合问题。l湍流旋涡扰动层流火焰形状加强了混合。u预混
7、反应系统l传播速率（火焰速度）取决于内部火焰结构。n比非预混燃烧问题更难建模。l湍流扰动层流火焰形状，加速火焰传播。u部分预混反应系统l反应系统包括非预混和预混流。FuelOxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorSecondaryFuel or OxidizerOutlet10-9 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008反应流问题的特征u反应流问题通过一系列无
8、量纲变量来表示。u两种最重要的无量纲变量是Reynolds 数和 Damkhler 数。uReynolds数l,U,L,分别是密度，速度，特征长度和动力粘性系数l高雷诺数将表现为湍流uDamkhler数l高Damkhler数（Da1）表示需要使用气相湍流燃烧模型。10-10 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008反应流问题的特征u马赫数Mach numberl高马赫数(Ma 0.3)表示可压缩性表现明显。l对于低马赫数流动，可以使用非预混模型。uBol
9、tzmann数 l高Boltzmann数表示对流是主要的传热形式。l当Bo 1)l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/。u总包反应（一步或两步）u每种物质都需要解算雷诺（时间）平均物质质量分数方程。u有限比例/涡耗散选项l反应率是Arrhenius比例和涡耗散比例的最小值。10-30 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008非预混模型u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。u物
10、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：l物质扩散系数相等Species diffusion coefficients are equall每种物质的Lewis 数必须一致相等l中等马赫数u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。u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）。10-31 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008u复合
11、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。l比EDC模型更严格u可以从PDF中通过下式计算出平均反应率：lPDF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10-32 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008In-Situ Adaptive Tabulation(ISAT)算法u初衷l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
12、都需要求解刚性反应系统（ODE的集合）l需要一种高效的方法获得只关心部分的数据。uIn-situ adaptive tabulation(ISAT)方法可以加快反应表格的生成和数据的查看。u优点l避免重复的数值积分，节省了计算机CPU的计算时间。l初始迭代比较慢（表格正在建立），但是计算在加速运转中。u适用条件lISAT 可以使用于 PDF输运,EDC,和层流有限比例模型10-33 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008NOx 模型uNOx 由氮的氧化
13、物组成，对环境有害uFLUENT 有三种计算NOx 产生的机理。lThermal NOx n高温时十分有效lPrompt NOxn在富燃区有效lFuel NOxn燃料中氮的含量高而且温度也相对较低时使用lUser-defined functionuNOx 再燃lNO 可以通过和富含燃料区域中的碳氢化合物反应而减少。uNon-Catalytic Reduction(SNCR)模型。uNOx 形成的定性预测10-34 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008
14、示例u富燃，预混火焰lEDClPDF传输l层流有限速率uIFRF 旋涡煤粉火焰l详细化学反应模型lDPMl辐射uGE LM-1600 燃气涡轮燃烧室l非预混，层流小火焰l温度和燃料NOx 预测uD形西瓜火焰（Sandia Flame D）l非预混湍流扩散火焰lEDC/PDF 传输比较u催化燃烧l表面反应l多孔介质10-35 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008案例学习:富燃预混合火焰u富燃预混合预蒸发（LPP）丙烷/空气火焰l减少燃烧污染物(CO 和
15、NOx)的扩散u轴对称火焰管l几何量d=10.25 cm,L=42.92 cml丙烷/空气混合物V=25 m/s,T=800 Kl火焰稳定段51%open areaPropane/air7,056 quad elements*D.N.Anderson,NASA Lewis Research Center,NASA-TM-X-71592,March 1975.10-36 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008富燃预混合火焰u湍流化学相互作用弱l完全预混合
16、l火焰区薄l化学反应正好在火焰阵面之后发生u丙烷详细的化学机理lNO 和 N2O 形成的Kundu机理n17 种物质和23步反应u有限速率化学燃烧模型l层流有限速率模型n完全忽略湍流-化学间的相互影响。lEDC 模型 n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l复合PDF输运n正确模拟湍流-化学相互作用*K.P.Kundu et al.,NASA Lewis Research Center,AIAA Paper No.98-3986,July 199810-37 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntrodu
17、ctory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008PDF modelLaminar Finite-Rate ModelEDC model富燃预混合火焰 温度云图10-38 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008 IFRF旋涡煤粉火焰uIFRF 工业生产规模的电炉u1997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,”Combustion Science and Technology,1
18、22,131 Ref.1Exhaust7 Cooling loopsMeasurement Locationsz=0.25 m,z=0.85 mInletSwirl Number=0.923Flow Rate=2684 kg/hrCoal flow rate=263 kg/hrCoal+transport air=421 kg/hr1/4 Geometry10-39 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008网 格u三维周期的四分之一几何模型u非结构六面体
19、网格l自适应前7万单元l对靠近入口区域自适应后有26万单元l最大的网格扭曲度是 0.5310-40 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008气相燃烧模拟 Contours of Mean Temperature(K)10-41 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008离散相uGottelborn hvBb 煤l起始
20、(重量%,干燥)n挥发物 55.0,固定碳 36.7,灰 8.3l最终(重量%,daf)n80.36 C,5.08 H,1.45 N,0.94 S,12.17 O.l较低的生热值(LCV,MJ/kg daf)n挥发物 32.3,烧焦 32.9uRosin-Rammler 大小分布l最小1 m,最大300 m,平均45 m,带宽1.36u单比例 devolatization模型lA=2105 s-1lE=7.4107 J/kmoluKinetics/diffusion-limited 表面燃烧u随机轨道模型l每步DPM迭代21600轨迹,10 个粒子大小l每步DPM迭代中进行25种气相迭代10-
21、42 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008温度/组分结果u平均温度(K)u平均 NO(ppm,dry)10-43 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008GE LM-1600燃气涡轮燃烧室uCourtesy Nova Research and Technology Corp.,Calgary,Canadau非预
22、混合,天然气u12.8 MW,19:1 压力比(全负荷)u环形燃烧室,18个喷嘴Swirl vanesFuel inlet nozzlesDilution air inlets10-44 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008气相燃烧模拟Contours of Mean Temperature(K)10-45 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesF
23、LUENT v6.3 Aug 2008NOx 模拟uThermal and fuel NOxContours of Mean NO(ppm,wet)10-46 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008NOx 模拟uNO出口流量vs.燃烧室负荷10-47 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008D形西瓜火焰-PDF
24、输运u试验l非预混合甲烷，湍流扩散火焰lD形西瓜火焰u几何l2352个矩形网格单元的轴对称网格u湍流l标准k，其中C1=1.52,，ScT=1.0 u混合l使用C=2，IEM和修正Curlu化学l16种组分10-48 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008Red symbolRed symbol:Experiment,Experiment,Blue solid line:Blue solid line:Modified Curl,Modified Cu
25、rl,Green dashed lineGreen dashed line:IEMIEMMean TemperatureRMS TemperatureMean CO10-49 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008催化燃烧u单通道模拟:l在壁面发生的反应l二维轴对称几何u整体模拟:l假设整体为多孔介质l多孔介质中考虑压力下降和流体加速l多孔介质中有反应的发生(指定表面体积比)l二维轴对称几何10-50 2006 ANSYS,Inc.All rights
26、 reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008单通道10-51 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008L=10 cmD=2 mmCH4 airPlatinum CatalystT=1290 K模型设置 单通道u边界条件:l体积分数:3%CH4l入口流速:5 m/sl入口温度:600 Ku气相物质:CH4,O2,H2,H2O,CO,CO2,N2,OHu表面物质:Pt(s
27、),H(s),O(s),OH(s),H2O(s),H3(s),CH2(s),CH(s),C(s),CO(s),CO2(s)10-52 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008主要气体组分质量分数云图10-53 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008uH2/CH4 催化燃烧u边界条件:l入流组分Air/CH4/H2
28、 mixturel入流速度 0.8 m/sl入流温度 300Ku10种气体物质和12种点物质u绝热边界条件u二维轴对称InletOutletReacting zone-catalyst多孔介质中的表面反应(多通道)10-54 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008温度vs.摩尔分数10-55 2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.ANSYS,Inc.PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008计算结果Inlet methane feed 1.5%CH4 mole fraction contourInlet methane feed 3.0%CH4 mole fraction contour