反应流模型.pptx

Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,Title Style,10-,#,2006 ANSYS,Inc.All rights reserved.,ANSYS,Inc.Proprietary,Introductory,FLUENT,Notes,FLUENT,v6.3 Aug 2008,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,(Pollutant Formation Models),表面反应,附录,Temperature in a Gas Furnace,CO,2,Mass Fraction,Stream Function,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,）,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。,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,stiff solver,将可以允许稍大的时间步长。,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,(NO,x,烟灰等,.),辐射模型,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,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。,Fuel,Oxidizer,Reactor,Outlet,Fuel,+,Oxidizer,Reactor,Outlet,Fuel,+,Oxidizer,Reactor,Secondary,Fuel or Oxidizer,Outlet,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,Damkhler,数。,Reynolds,数,U,L,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,Damkhler,数,高,Damkhler,数（,Da1,）表示需要使用气相湍流燃烧模型。,反应流问题的特征,马赫数,Mach number,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 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/,。,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。,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,Species diffusion coefficients are equal,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）。,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,In-Situ Adaptive Tabulation(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-situ adaptive tabulation(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,NO,x,模型,NO,x,由氮的氧化物组成，对环境有害,FLUENT,有三种计算,NO,x,产生的机理。,Thermal NO,x,高温时十分有效,Prompt NO,x,在富燃区有效,Fuel NO,x,燃料中氮的含量高而且温度也相对较低时使用,User-defined function,NO,x,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-Catalytic Reduction(SNCR),模型。,NO,x,形成的定性预测,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,GE LM-1600,燃气涡轮燃烧室,非预混，,层流小火焰,温度和燃料,NO,x,预测,D,形西瓜火焰（,Sandia Flame D,）,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,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,NO,x,),的扩散,轴对称火焰管,几何量,d=10.25 cm,L=42.92 cm,丙烷,/空气混合物,V=25 m/s,T=800 K,火焰稳定段,51%open area,Propane/air,7,056 quad elements,*,D.N.Anderson,NASA Lewis Research Center,NASA-TM-X-71592,March 1975.,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,N,2,O,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,NO,x,的低预测,反应发生非常快，而且,NO,x,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.Kundu et al.,NASA Lewis Research Center,AIAA Paper No.98-3986,July 1998,PDF model,Laminar Finite-Rate Model,EDC model,富燃预混合火焰,温度云图,IFRF,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,”Combustion Science and Technology,122,131 Ref.1,Exhaust,7 Cooling loops,Measurement Locations,z=0.25 m,z=0.85 m,Inlet,Swirl Number=0.923,Flow Rate=2684 kg/hr,Coal flow rate=263 kg/hr,Coal+transport air=421 kg/hr,1/4 Geometry,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,0.53,气相燃烧模拟,Contours of Mean Temperature(K),离散相,Gottelborn hvBb,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),80.36 C,5.08 H,1.45 N,0.94 S,12.17 O.,较低的生热值,(LCV,MJ/kg daf),挥发物,32.3,烧焦,32.9,Rosin-Rammler,大小分布,最小,1,m,最大,300,m,平均,45,m,带宽,1.36,单比例,devolatization,模型,A=210,5,s,-1,E=7.410,7,J/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,温度,/,组分结果,平均温度,(K),平均,NO(ppm,dry),GE LM-1600,燃气涡轮燃烧室,Courtesy Nova Research and Technology Corp.,Calgary,Canada,非预混合,天然气,12.8 MW,19:1,压力比,(,全负荷,),环形燃烧室,18,个喷嘴,Swirl vanes,Fuel inlet nozzles,Dilution air inlets,气相燃烧模拟,Contours of Mean Temperature(K),NO,x,模拟,Thermal and fuel NOx,Contours of Mean NO(ppm,wet),NO,x,模拟,NO,出口流量,vs.,燃烧室负荷,D,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,k,，其中,C,1,=1.52,，,Sc,T,=1.0,混合,使用,C,=2,，,IEM,和修正,Curl,化学,16,种组分,Red symbol,:,Experiment,Blue solid line:,Modified Curl,Green dashed line,:,IEM,Mean Temperature,RMS Temperature,Mean CO,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,单通道,L=10 cm,D=2 mm,CH,4,air,Platinum Catalyst,T=1290 K,模型设置,单通道,边界条件,:,体积分数,:3%CH4,入口流速,:5 m/s,入口温度,:600 K,气相物质,:,CH,4,O,2,H,2,H,2,O,CO,CO,2,N,2,OH,表面物质,:,Pt(s)H(s),O(s),OH(s),H,2,O(s),H,3,(s),CH,2,(s),CH(s),C(s),CO(s),CO,2,(s),主要气体组分质量分数云图,H,2,/CH,4,催化燃烧,边界条件,:,入流组分,Air/CH,4,/H,2,mixture,入流速度,0.8 m/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,Inlet,Outlet,Reacting zone-catalyst,多孔介质中的表面反应,(,多通道,),温度,vs.,摩尔分数,计算结果,Inlet methane feed 1.5%,CH,4,mole fraction contour,Inlet methane feed 3.0%,CH,4,mole fraction contour,