ANSYS燃燒反應(yīng)模擬介紹

1、ANSYS 17.0燃燒反應(yīng)模擬基本概念反應(yīng)流模型快速化學(xué)反應(yīng)模型有限速率化學(xué)反應(yīng)模型表面反應(yīng)/污染物固體/液體燃燒概要基本定義燃燒反應(yīng)燃料和氧化劑發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)、放出大量熱并使得化學(xué)成分的種類發(fā)生變化的過程由燃燒支配的流動構(gòu)成反應(yīng)流動的主要部分化學(xué)計量學(xué)一定量燃料要充分燃燒需要充足的氧化劑CH4 + O2 CO2 + H2O燃料與空氣的化學(xué)計量比燃料數(shù)量與空氣數(shù)量的化學(xué)計量比額外空氣提供的空氣量超過化學(xué)計量結(jié)果所需的量等值比()燃料-空氣的真實比值與燃料-空氣化學(xué)計量比的比值 1 富油燃燒; 1Finite rate chemistryDa 1離散項模型(固/液 模型)液珠/顆粒 動力學(xué)D

2、EM 碰撞蒸發(fā)揮發(fā)多項反應(yīng)湍流模型LES, DES, SAS.RANS: k-e, k-w, RSM.污染物模型NOx, Soot, SOx輻射模型P1, DO (Gray/Non-gray)真實氣體影響SRK, ARK, RK, PRFluent中的燃燒模型預(yù)混燃燒模型非預(yù)混燃燒模型部分預(yù)混燃燒模型快速化學(xué)反應(yīng)離散渦模型(分類運輸 )預(yù)混燃燒模型C公式G 公式ECFM非預(yù)混模型均衡模型混合物分數(shù)部分預(yù)混模型多變反應(yīng)過程+混合物分數(shù)有限速率化學(xué)反應(yīng)層流有限速率模型離散渦概念(EDC)模型綜合PDF 輸運模型層流小火焰模型(穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài))流場結(jié)構(gòu)化學(xué)反應(yīng)簡介模擬湍流反應(yīng)的挑戰(zhàn)湍流反應(yīng)模型離散渦模

3、型漸進均衡模型非預(yù)混均衡模型小火焰預(yù)混部分預(yù)混小火焰多種生成概要: part-II湍流反應(yīng)流模擬大多數(shù)工程中的反應(yīng)問題都是湍流問題IC 引擎, 燃氣輪機, 鍋爐, 熔爐, 火箭發(fā)動機.方法直接數(shù)值解法(DNS)考慮到反應(yīng)時間和反應(yīng)尺度問題，目前大多數(shù)解法均難以精確模擬DNS 解法目前僅限于實驗室探究燃燒問題RANS法工程實踐中經(jīng)常采用的方法大渦模擬 (LES) 介于DNS 和RANS之間混合模型 (DES, SAS or ELES)應(yīng)用實例煤油燈火焰層流小火焰模型(JetSurF 1.0)甲烷燃燒1層流小火焰模型(GRI Mech 3.0)玻璃熔爐燃燒(EBU model)Hamworthy

4、燃燒公司. 預(yù)混燃燒器加熱過程天然氣燃燒模型(均衡非預(yù)混模型)氫氧燃燒(RCM-3)(均衡非預(yù)混火焰模型)環(huán)形燃燒室模型2(部分預(yù)混模型)Courtesy of Lamar University, Beaumont, TX, 2011 (Experimental image from University of Alberta, Flare research project, final report, 2004)Courtesy of Siemens-Westinghouse簡介詳細反應(yīng)機理詳細化學(xué)反應(yīng)模型層流有限速率離散渦概念合成 PDF 輸運化學(xué)反應(yīng)加速工具In-situ 適應(yīng)性表格化學(xué)

5、反應(yīng)的匯聚維度減少概要: part-III三種類型詳細的, 框架和縮略式的反應(yīng)機理詳細反應(yīng)機理反應(yīng)物種類龐大基原反應(yīng)種類龐大框架式反應(yīng)機理縮減后的詳細反應(yīng)機理刪除了不重要的反應(yīng)物和反應(yīng)過程縮略式反應(yīng)機理在上述兩種反應(yīng)機理上更進一步細化 準定常狀態(tài)假設(shè)(QSSA)詳細反應(yīng)機理的類型計算經(jīng)濟性求解精確性低高CHEMKIN 格式Fluent 可導(dǎo)入CHEMKIN 反應(yīng)機理文件基元反應(yīng)機理的簡要描述反應(yīng)機理，反應(yīng)物和反應(yīng)過程的簡要信息導(dǎo)入CHEMKIN 文件時將會自動進行計算單位的轉(zhuǎn)換需要單獨的熱動力學(xué)數(shù)據(jù)庫支持示例文件指前因子溫度因子激活能量詳細的化學(xué)反應(yīng)計算需要消耗大量時間和計算資源化學(xué)反應(yīng)加速工

6、具可以加速這一過程In situ 適應(yīng)性表格(ISAT)化學(xué)反應(yīng)集聚維度削減化學(xué)反應(yīng)加速工具應(yīng)用實例Sandia 燃燒 合成PDF 輸運(16 種反應(yīng)物 框架反應(yīng)機理)固體火箭燃燒室(RCM-3) 層流有限速率模型(8 反應(yīng)物and 20 反應(yīng))壓力和放熱變化 （IC 引擎） 層流有限速率模型(ERC n-庚烷 反應(yīng)機理: 29 反應(yīng)物 & 52 反應(yīng))Cheng & FarmerFluent Sandia 燃燒EDC 模型(16 反應(yīng)物框架反應(yīng)機理)FluentExpt.Temperature (K)x/d空氣在超過音速下離散(M 40) 層流有限速率模型(Gupta 反應(yīng)機理: 11 反應(yīng)

7、物 & 20 反應(yīng))應(yīng)用范圍熔爐, 鍋爐, 焚化爐 (廢物燃燒), 燃氣發(fā)生器 (生成合成氣)固體燃料燃燒 水分灰燼 揮發(fā)燒焦干燥 液化/ 高溫分解氣化/燃燒 殘留物H2, CH4, CO, CO2, H2O, Tar. 水蒸汽 應(yīng)用舉例: 科斯塔爐主進口次級進口第三級進口加壓火焰空氣(BOFA) 入口空氣進口邊界主空氣進口流速 = 305.2 ton/h溫度 = 75oC次級+ 第三級空氣進口總流量= 574.8 ton/h次級和第三級流量分布= 15% - 85%溫度 = 377oC邊界空氣進口流速 = 50 ton/h溫度= 377oCBOFA 空氣進口流速 = 257溫度 = 377o

8、C壁面溫度 = 452 K輻射系數(shù)= 0.6煤離散項供給速率 = 110.2 ton/h 溫度 = 75oC近似分析(干燥 重量百分比 )灰燼 = 13.83揮發(fā) = 33.07固定碳 = 53.10最終分析(干燥 重量百分比%)C碳 = 70.91H氫 = 4.52N氮 = 1.47S硫 = 1.39O氧 = 7.89總熱值28.9 MJ/kg邊界條件案例氣-油Inlet 進口復(fù)合物O2 23.3%N2 76.7%氧-油干-循環(huán)O2 23.3%CO2 76.7%濕-循環(huán)O2 22.3%H2O 13.6%CO2 64.1%模型湍流模型Standard k-反應(yīng)模型離散渦2 步反應(yīng)機理輻射模型:

9、 DO吸收系數(shù)設(shè)置為WSGGM包括粒子-輻射相互作用求解設(shè)置溫度場空氣-燃燒Toutlet = 1458K干-循環(huán)Toutlet = 1467K濕-循環(huán)Toutlet = 1421K均包括液體氣化和燃燒兩個過程應(yīng)用案例內(nèi)燃機, 燃氣輪機, 液體火箭發(fā)動機池火液體燃料燃燒液體燃料噴射燃燒池火1ANSYS Forte 17.0 最新改進徹底集成到ANSYS統(tǒng)一安裝文件中并共用許可證 通過ANSYS用戶入口使得用戶的服務(wù)和支持更加簡化通過內(nèi)燃機流程嵌入到workbench模塊中 從幾何模型準備到最終可視化實現(xiàn)自動化流程其他在技術(shù)、計算穩(wěn)定性和計算速度方面的提升 求解器自適應(yīng)網(wǎng)格 可自動計算任意燃料混

10、合條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣華NSYS Forte 17.0有何改進之處？Forte 在WB-ICE中的工作流程 WB中內(nèi)燃機 (Forte) 1. 用DM 或Spaceclaim 處理幾何模型2. 創(chuàng)建幾何, 定義各個面3. WB-ICE 將會對有需要的邊界面進行自動拆分4. WB-ICE將會生成密閉性的表面網(wǎng)格5. Forte 在模擬過程中按需要自動生成動網(wǎng)格CFD-Post 對 Forte結(jié)果的可視化處理 包括在WB-ICE中自動生成結(jié)果報告Time ANSYS Forte自適應(yīng)求解器網(wǎng)格 在臨界時間內(nèi)更好的控制網(wǎng)格的更新 在網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格分辨率/精度兩方面獲得更好的平衡 在有需要時可對局部網(wǎng)

11、格進行更一步的優(yōu)化 在適應(yīng)性方面更加靈活: 根據(jù)求解的重要性和梯度 根據(jù)任意基礎(chǔ)的求解變量 速度, 溫度, 壓力, 湍流動能, 組分比例, 等等.根據(jù)所選擇的其他求解變量 E.g., 等值比, 燃料氣化比例絕對取值范圍, 百分比范圍, 或者標準偏差腔室中噴射燃燒 溫度云圖應(yīng)用舉例: 火焰?zhèn)鞑サ牟蹲?根據(jù)梯度值或求解器先前設(shè)定的時間步在每個時間步對動網(wǎng) 格進行優(yōu)化 在火焰?zhèn)鞑ミ^程中根據(jù) CO2的質(zhì)量分數(shù)進行網(wǎng)格 優(yōu)化 在一個帶有孔洞的圓柱形 天然氣燃燒室中剖取截面 并顯示溫度云圖 多組分燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣?數(shù)據(jù)庫可生成有50種燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?對所有的燃料組分都將初步計算層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?

12、采用最新的MFL 機理 采用ANSYS Chemkin 針對引擎中最廣泛的所有情況 變等值比, 溫度, 壓力 Forte中的混合 用戶只需提供燃料組分 Forte 自動考慮 燃料混合層次和非線性混合的影響非線性混合驗證對比 CHEMKIN 對燃料混合的計算結(jié)果 大大簡化多組分燃料的使用，同時提高了精確性并 減少用戶可能發(fā)現(xiàn)的錯誤采用火焰速度數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢 燃料數(shù)據(jù)庫考慮了多組分燃料的 層化, 這對GDI非常重要對所有燃料組分的表現(xiàn)進行了平均 在實際中各個因素都會 交叉影響 假定個影響因素互相獨立并建立各 個因素的冪次關(guān)聯(lián)式 壓力 等值比 溫度 稀釋 燃料結(jié)構(gòu)舉例: SL 與 壓力從 0 到 40

13、% EGR*SAE Technical Paper 2016(submitted), Puduppakkam et al.針對CHT 模擬的最新優(yōu)化 監(jiān)控所有的壁面邊界的點狀 云圖 靜止或移動 (邊界移動) 累計的平均時間將會顯示出來 熱流量, 換熱系數(shù),溫度 采用格式化方法使得在CFD-Post中查 看結(jié)果變得更加容易 可以和ANSYFluent 以及ANSYS Mechanical進行結(jié)合其他對結(jié)果和計算速度的提升 Forte TKI 模型的提升 提升主要是針對高負荷的柴油機 被一系列商用柴油機的案例證明和確證 針對SI 火花 & 火焰?zhèn)鞑ミM行了加強 提升了火焰?zhèn)鞑Υ笠?guī)模整體速度的響應(yīng)

14、商業(yè)NG 引擎供應(yīng)商的工作結(jié)果 主要的提升針對于預(yù)測多種碗狀結(jié)構(gòu)& 點火策略 表現(xiàn)提升: 與Forte 40145對比, 典型的結(jié)果: 全循環(huán)GDI 工況: 減少了20%的解題時間11 2015ANSYS, Inc.February 9, 2016總結(jié) ANSYS Forte 現(xiàn)在完全整合到ANSYS 軟件匯總 安裝, 注冊, Workbench, 內(nèi)燃機工作流程, 可視化 17.0的主要新功能 自適應(yīng)求解器網(wǎng)格的生成 建立多達50種燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)庫，并可自動進行混合 對火花和火焰?zhèn)鞑ツＰ瓦M行了提升 表現(xiàn), 可靠性和精度都進行了全面提升1Fluent R17.0 產(chǎn)品提升UI設(shè)計和操作

15、過程進行簡化和更新 對圖標進行整合，顯著顯示常用圖標和功能 提升并簡化模型顯示、數(shù)據(jù)輸出、報告生成等計算收斂性、網(wǎng)格更新、求解器等都有所提升其他在技術(shù)、計算穩(wěn)定性和計算速度方面的提升計算模型方面均有所提升 反應(yīng)流計算的提升 湍流模型方面的提升 ANSYS Fluent 17.0有何改進之處？2求解器驅(qū)動過程Ribbon: 與 各主要workflow 實現(xiàn)交接Tree: A提供了各種可用模型5圖形顯示方面的提升 在 2D and 3D-正交顯示 可使用標尺 坐標軸的轉(zhuǎn)動手柄進行了提升14收斂性方面的提升 在采用耦合求解器時默認采用較粗略的收斂標準 全面提升收斂性格 對網(wǎng)格質(zhì)量較差的算例提升尤其明

16、顯. 代數(shù)多重網(wǎng)格求解器現(xiàn)在自動在線性系統(tǒng)中重新排序 可確保多區(qū)域網(wǎng)格的計算精確性 可通過(rpsetvar reorder/amg 0)命令取消No reorderingNot converged 200iterationsRCM reorderingConverged in 94 iterations27020406080100120反應(yīng)流計算方面的提升 CHEMKIN-CFD 求解器現(xiàn)在無需額外的許可證即可使用 與CHEMKIN 反應(yīng)機理完美結(jié)合 CHEMKIN-CFD使得詳細的化學(xué)反應(yīng)計算速度提高Chemkin-CFD_DCCR17-DI-CAR17-DIODE_求解迭代_求解30SD

17、ES / SBES 湍流模型混合 RANS-LES 模型相比于DDES和IDDES可提供更好結(jié)果 SDES模型 為DES 模型提供屏蔽功能 在網(wǎng)格優(yōu)化基礎(chǔ)上提升屏蔽性能 屏蔽功能融入到LES工況中 對網(wǎng)格的尺度和校準進行提升 SBES模型 根據(jù)SDES 屏蔽功能, 可實現(xiàn)從RANS模型到LES模型的轉(zhuǎn)換 提供屏蔽功能以清楚定義和顯示RANS區(qū)域和LES區(qū)域31SBES 應(yīng)用舉例平均和RMS 速度剖面（SBES 與 DDES十分接近）SBES 與試驗結(jié)果吻合的更好（對 RMS壁面溫度）計算速度33140,000120,000100,00080,00060,00040,00020,0000024,

18、57649,15273,72898,304122,880147,456Combustor_830M on CRAY XC30核數(shù) 某類燃燒室 8億3千萬網(wǎng)格 由ANSYS技術(shù)團 對構(gòu)造 物理特性 流場 能量 chemic化學(xué)反應(yīng) 無 DPM 無燃燒從 768 到 129,024 核數(shù)（NERSC Edison XC30機群）129,024 cores90% efficiency41VOF: 改進的非線性波系理論 對開口管道流場的Fenton波系理論 提升了對大角度波系的計算精度 更好的模擬波系相交于碰撞下頁展示案例42自由表面波形與新波系理論計算結(jié)果的比較( H/L = 0.12, kA = 0.377)NumericalAnalyticalt = 57s舊t = 140st = 200s新(與理論分析結(jié)果的對比)新波系理論49壁面氣膜計算方面的提升 拉格朗日壁面氣膜邊界條件可用Kuhnke 模型模擬Dry-splashregimeFilm-formati