FLUENT中的燃燒模擬

1、第六章， FLUENT中的燃燒模擬6.1 燃燒模擬的重要性面向?qū)嶋H裝置（如鍋爐、內(nèi)燃機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、火災(zāi)等）面向?qū)嶋H現(xiàn)象（如點(diǎn)火、熄火、燃燒污染物生成等）6.2 FLUENT 燃燒模擬方法概要FLUENT可以模擬寬廣范圍內(nèi)的燃燒（反應(yīng)流）問題。然而，需要注意的是：你必須保證你所使用的物理模型要適合你所研究的問題。FLUENT在燃燒模擬中的應(yīng)用可如下圖所示：氣相燃燒模型預(yù)混燃燒離散相模型部分預(yù)混燃燒擴(kuò)散燃燒輸運(yùn)方程連續(xù)性動(dòng)量（湍流）能量化學(xué)組分污染物模型熱輻射和傳熱模型氣相燃燒模型一般的有限速率形式（Magnussen 模型）守恒標(biāo)量的PDF 模型（單或二組分混合物分?jǐn)?shù)）層流火焰面模型（Lami

2、nar flamelet model ）Zimont模型離散相模型煤燃燒與噴霧燃燒熱輻射模型DTRM, P-1, Rosseland和 Discrete Ordinates 模型污染物模型NOx 模型，煙（ Soot）模型6.3 氣相燃燒模型6.3.1 燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)際中的燃燒過程是湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用的結(jié)果， 燃燒的化學(xué)反應(yīng)速率是強(qiáng)非線性和強(qiáng)剛性的。 通常的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理包含了幾十種組分和幾百個(gè)基元反應(yīng)， 而且這些組分之間的反應(yīng)時(shí)間尺度相差很大 （10 9102 秒），因此在實(shí)際問題的求解過程中計(jì)算量和存儲量極大，目前應(yīng)用尚不現(xiàn)實(shí)。在 FLUENT 中，針對不同的燃燒現(xiàn)象，采用了不同

3、的化學(xué)動(dòng)力學(xué)處理手段，以減少計(jì)算成本，如下：有限速率燃燒模型 預(yù)混、部分預(yù)混和擴(kuò)散燃燒混合物分?jǐn)?shù)方法（平衡化學(xué)的PDF模型和非平衡化學(xué)的層流火焰面模型）擴(kuò)散燃燒反應(yīng)進(jìn)度方法（Zimont 模型） 預(yù)混燃燒混合物分?jǐn)?shù)和反應(yīng)進(jìn)度方法的結(jié)合部分預(yù)混燃燒一般的有限速率模型化學(xué)反應(yīng)過程一般采用總包機(jī)理（即簡化化學(xué)反應(yīng)，如單步反應(yīng)）進(jìn)行描述求解組分的輸運(yùn)方程，得到每種組分的時(shí)均質(zhì)量分?jǐn)?shù)值，如下：6 1其中組分 j 的反應(yīng)源項(xiàng)為所有K 個(gè)反應(yīng)中，組分j 的凈生成速率：R jR jkk6 2式中，反應(yīng) k 中的組分j 的反應(yīng)速率可按照Arrhenius公式、混合（ mixing ）速率或“eddybreaku

4、p ”速率的方法求解。在混合（mixing ）速率方法中，混合速率和渦的時(shí)間尺度, k/ .有關(guān)，其物理意義為化學(xué)反應(yīng)受限于湍流導(dǎo)致的組分和熱量的混合速率。Ji 表達(dá)如下：6 3計(jì)算所需參數(shù)包括： （ i ）組分及其熱力學(xué)參數(shù)值； （ ii ）反應(yīng)及其速率常數(shù)值。其中，F(xiàn)LUENT提供了一個(gè)混合物組分的數(shù)據(jù)庫可供查找選用，另外也提供了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及組分熱力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫可供查找選用。有限速率模型的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用于預(yù)混、部分預(yù)混和擴(kuò)散燃燒；簡單直觀缺點(diǎn)：當(dāng)混合時(shí)間尺度和反應(yīng)時(shí)間尺度相當(dāng)時(shí) （即 Da1 ）缺乏真實(shí)性； 難以解決化學(xué)反應(yīng)與湍流的耦合問題；難以預(yù)測反應(yīng)的中間組分；模型常數(shù)具

5、有不確定性6.3.3守恒標(biāo)量的PDF模型守恒標(biāo)量的 PDF 模型僅適用于擴(kuò)散（非預(yù)混）燃燒問題，該方法假定了反應(yīng)是受混合速率所控制， 即反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)， 每個(gè)單元內(nèi)的組分及其性質(zhì)由燃料和氧化劑的湍流混合強(qiáng)度所控制。其中涉及的化學(xué)反應(yīng)體系由化學(xué)平衡計(jì)算來處理（利用FLUENT的組件程序PrePDF）。該方法通過求解混合物分?jǐn)?shù)及其方差的輸運(yùn)方程獲得組分和溫度場，分和能量的輸運(yùn)方程。而不是直接求解組其中混合物分?jǐn)?shù)的定義：ZkZk ,OfZk, OZ k,F其中 Zk 代表元素k 的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 下標(biāo) F 和 O 分別代表燃料和氧化劑的進(jìn)口值。對于簡單的燃料/氧化劑體系，每一計(jì)算單元內(nèi)的混合

6、物分?jǐn)?shù)代表了該單元內(nèi)的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于混合物分?jǐn)?shù)是守恒標(biāo)量，因此在求解輸運(yùn)方程時(shí)不再考慮反應(yīng)源項(xiàng)。在該方法中， 化學(xué)反應(yīng)認(rèn)為足夠快， 體系中的組分立刻達(dá)到平衡狀態(tài)。 化學(xué)平衡組分在混合物空間的分布可示意如下：化學(xué)反應(yīng)和湍流之間的相互作用采用幾率密度函數(shù)（PDF）的方法進(jìn)行處理：p(V ) V lim 1iTTi上圖代表了幾率密度函數(shù)p（V）的定義，因此在混合物分?jǐn)?shù)空間，f，標(biāo)量的時(shí)均值可由下式計(jì)算：1p( f ) i ( f )df0其中時(shí)均標(biāo)量i 可以是組分濃度、密度或溫度。守恒標(biāo)量 PDF 模型的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可以預(yù)測中間組分的濃度，可以考慮流動(dòng)中的耗散現(xiàn)象，可以考慮化學(xué)反應(yīng)與湍流之間的

7、相互作用。該方法不需求解大量的組分和能量的輸運(yùn)方程，因而可以縮短計(jì)算時(shí)間。缺點(diǎn)：研究的流動(dòng)體系必須接近于局部化學(xué)平衡狀態(tài)，且不能用于非湍流流動(dòng)，同時(shí)亦不能處理預(yù)混燃燒問題。6.3.4層流火焰面模型層流火焰面模型的基本思想是把湍流擴(kuò)散火焰看作是層流對撞擴(kuò)散火焰面的系綜。該方法可以看作是守恒標(biāo)量PDF 模型的一個(gè)擴(kuò)展，它可用于處理非化學(xué)平衡狀態(tài)的體系，即可以利用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方法處理反應(yīng)流。不同于守恒標(biāo)量PDF 模型，標(biāo)量是混合物分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率的函數(shù)，而非混合物分?jǐn)?shù)的函數(shù)：ii ( f ,)（ 6-4）指定混合物分?jǐn)?shù)f 的 PDF 符合 函數(shù)分布， 標(biāo)量耗散率 的 PDF 符合狄拉克 函數(shù)分布

8、，因此，時(shí)均標(biāo)量值可以通過在f 和 空間求標(biāo)量的統(tǒng)計(jì)平均來得到（即，考慮化學(xué)反應(yīng)與湍流的相互作用） ：1ii ( f , ) Pf ( f )P ( )d df（ 6-5）00層流火焰面模型的計(jì)算過程如下：（1）計(jì)算不同標(biāo)量耗散率下，標(biāo)量在混合物分?jǐn)?shù) f 空間的分布，即求解火焰面方程，組分方程為：能量方程為：從而得到標(biāo)量隨混合物分?jǐn)?shù)和標(biāo)量耗散率的變化關(guān)系，即式（6-4），并以火焰面數(shù)據(jù)庫文件的形式保存結(jié)果。（2）火焰面數(shù)據(jù)庫文件也可由其它軟件（如CHEMKIN的 OPPDIF 生成），若得到的庫文件為單標(biāo)量耗散率，則需計(jì)算不同標(biāo)量耗散率的庫文件，最后將它們合并。3）利用式（ 6-5）計(jì)算火焰面

9、的 PDF 庫，從而得到時(shí)均標(biāo)量隨平均混合物分?jǐn)?shù)和平均混合物方差的變化關(guān)系。（4）利用 3.3 節(jié)的求解平均混合物分?jǐn)?shù)及其平均方差的輸運(yùn)方程的方法，在流場中計(jì)算這兩個(gè)量，然后再利用得到的PDF 庫查找時(shí)均標(biāo)量值。6.3.5 預(yù)混燃燒的 Zimont模型湍流預(yù)混燃燒的化學(xué)反應(yīng)采用反應(yīng)進(jìn)度（progress variable）， c，進(jìn)行表征，如下：cY p /Y padpp其中 Yppad 分別代表當(dāng)前和完全絕熱燃燒后燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其取值范圍在0、 Y到 1 之間， 0 代表未然混合物，1 代表已燃混合物。若用反應(yīng)進(jìn)度c 代表其平均值，則其輸運(yùn)方程可表達(dá)如下：上式中平均反應(yīng)速率項(xiàng)如下求解：

10、u代表未燃物密度， U t 代表湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｍ牧黝A(yù)混燃燒的關(guān)鍵在于求解湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄎ挥谕牧骰鹧姹砻娴姆ň€方向），該速度受兩方面因素的影響： 一是層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋礇Q定于燃料和氧化劑的濃度、初始溫度， 組分的擴(kuò)散特性以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性；二是有大渦決定的火焰皺褶和拉伸以及由小渦決定的火焰表面厚度。根據(jù)上述討論，F(xiàn)LUENT中的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤杀磉_(dá)為：U tA(u ) 3 / 4U l 1/ 21 / 4 lt1/ 4Au ( t)1/ 4c式中， A 模型常數(shù)， u速度均方值， U l 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，k /c p 未燃物的分子導(dǎo)熱系數(shù)，l t C D u3 / 湍流長度尺度

11、，t l t / u 湍流時(shí)間尺度，c/ U l2化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度。為考慮火焰拉伸所導(dǎo)致的吹熄（熄火）現(xiàn)象，在反應(yīng)速率源項(xiàng)中可乘以一個(gè)拉伸因子，G，它代表了拉伸所導(dǎo)致火焰不熄火的概率：式中：以上各式中出現(xiàn)的一些常數(shù)值在FLUENT 默認(rèn)條件下為：A=0.52， CD =0.37， str=0.26， B=0.5湍流預(yù)混火焰溫度的計(jì)算：對絕熱火焰，有：Tu 代表未燃混合物的溫度，Tad 代表絕熱條件下燃燒產(chǎn)物的溫度。對非絕熱火焰，解如下的能量方程：湍流預(yù)混火焰組分密度和濃度的計(jì)算：FLUENT 利用理想氣體狀態(tài)方程求解密度，對絕熱火焰，假定壓力變化可以忽略，混合物平均分子量為常數(shù)，有其中下標(biāo) b

12、 代表已燃物，下標(biāo)u 代表未燃物，求解量為 Tu。b，已知量為 Tb， ，u對非絕熱火焰，有求解量為 ，已知量為 T（由上面的能量方程計(jì)算）， u ，Tu。對于組分濃度，則按下式計(jì)算：Y=Yu (1-c)6.3.6 部分預(yù)混燃燒模型部分預(yù)混燃燒系統(tǒng)是指這樣一種預(yù)混火焰，其燃料/氧化劑之比不唯一。 FLUENT 中的部分預(yù)混模型是非預(yù)混模型（3.3 和 3.4 節(jié)）和預(yù)混模型（3.5 節(jié)）的結(jié)合。預(yù)混燃燒的反應(yīng)進(jìn)度， c，決定了火焰前鋒的位置，在火焰前鋒的后面（c=1），混合物已燃，使用守恒標(biāo)量 PDF 或?qū)恿骰鹧婷婺Ｐ偷慕?；在火焰前鋒的前面（c=0），組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，溫度和密度由混合但未燃燒混合

13、物分?jǐn)?shù)來計(jì)算。在火焰內(nèi)部（0 c程序 Fluent IncPrePDF4.02 （對 FLUENT6.0 版），則進(jìn)入 PrePDF 環(huán)境。2） Allocate Memory首先為計(jì)算的問題設(shè)置數(shù)組空間和分配內(nèi)存等，如下：SetupMemory AllocationMaximum Number of Species為 PDF 表中最大物質(zhì)數(shù)，默認(rèn)值為20，最大值為 65。Maximum Number of f-mean Points為 PDF 表中混合物分?jǐn)?shù)離散點(diǎn)最大個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為45，最大值為100。Maximum Number of f-var Points為 PDF 表中混合物方差離散

14、點(diǎn)最大個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為22，最大值為30。Maximum Number of Enthalpy Points為 PDF 表中焓離散點(diǎn)最大個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為45，最大值為 100。Maximum Number of Scalar Dissipation Points inAdiabatic Flamelet PDFTable為 PDF 表中標(biāo)量耗散率離散點(diǎn)最大個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為45，最大值為100。Maximum Number of Flamelets為火焰面模型中火焰面最大個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為20，最大值為30。3） 設(shè)定問題根據(jù)所要計(jì)算的問題進(jìn)行設(shè)置SetupCase注：若在Chemistry models

15、中選擇 Laminar Flamelets，則參見從（13）開始的步驟定義要考慮的化學(xué)組分（5）定義燃料和氧化劑的初始組分SetupSpeciesComposition（6）定義 Operating ConditionsSetupOperating Conditions（7）定義化學(xué)反應(yīng)計(jì)量系數(shù)SetupSpeciesStoichiometry例如對反應(yīng)：CH 4，O2， CO2 和 H 2O 分別定義為1， 2， 1， 2（如上圖所示） 。（8）定義創(chuàng)建的PDF 表中所用的參數(shù)SetupSolution Parameters（9）將輸入保存到文件中Input（10）計(jì)算并生成PDF 表Cal

16、culatePDF Table（11）將 PDF 表保存到文件中PDF（12）計(jì)算結(jié)果的顯示Display上面兩圖分別給出了由平衡化學(xué)計(jì)算得出的混合物分?jǐn)?shù)空間標(biāo)量（組分和溫度） 的變化。上圖給出了絕熱體系中固定標(biāo)量耗散率時(shí)的PDF 表中溫度隨平均混合物分?jǐn)?shù)和混合物分?jǐn)?shù)方差的變化關(guān)系。（13）若使用層流火焰面模型（即使用化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)而非化學(xué)平衡），則重新設(shè)置計(jì)算的問題，如下圖。SetupCase14）定義火焰面實(shí)際上，該過程是定義一個(gè)層流對撞擴(kuò)散火焰的構(gòu)型及燃料和氧化劑的初始狀態(tài)。上面的面板包括了如下信息的輸入（a）提供化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理文件的輸入，擴(kuò)展名為*.che （ FLUENT6.0

17、也提供了部分燃料氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理供使用），（ b）初始燃料和氧化劑的組分濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)） ，（ c）混合物分?jǐn)?shù)空間的離散點(diǎn)數(shù)，標(biāo)量耗散率的最大最小值及其離散點(diǎn)數(shù)，解的控制參數(shù)，輻射選項(xiàng)等。15）定義火焰面的操作條件SetupOperating Conditions主要是指定燃料和氧化劑來流的溫度和壓力（16）定義 PDF 表的參數(shù)SetupSolution Parameters （同（ 8）（17）定義火焰面模型參數(shù)SetupFlamelet Parameters17）存輸入文件 Input File輸入文件包括火焰面的定義和其它指定參數(shù)。Input.（18）計(jì)算火焰面Calcu

18、lateFlamelet19）存 PDF 文件PDF.（關(guān)于 PDF 文件的內(nèi)容可以在PrePDF 中以圖形的方式查看，這里不再討論）得到 PDF 文件后，在FLUENT 的計(jì)算中即可調(diào)用。6.6 污染物模型6.6.1 NO x 模型NO x主要由 NO （ nitric oxide ）所組成，此外還包括少量的22NO 和N O。其中， NO是造成光化學(xué)煙霧、酸雨以及臭氧空洞的主要元兇。FLUENT中提供了 NO x產(chǎn)生的如下反應(yīng)機(jī)理：1） Thermal NO x - Zeldovich 機(jī)理（大氣中 N的氧化產(chǎn)物），在高溫條件下，該機(jī)理很重要，（2） Prompt NO x Fenimor

19、e機(jī)理，該機(jī)理對NO x 的生成貢獻(xiàn)相對較小，但在富燃料區(qū)缺很重要，（3） Fuel NO x -經(jīng) De Soete，Williams 等人發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)機(jī)理(燃料中含 N組分的氧化產(chǎn)物)，在富含N 的煤燃燒過程中占主要地位（燃燒溫度通常較低），（4） NOx reburn chemistry-通過在富燃料區(qū)使NO 與碳?xì)浠衔锇l(fā)生反應(yīng)以減少NO x的化學(xué)反應(yīng)過程。在 FLUENT 中將求解 NOx 的輸運(yùn)方程，對 Thermal NO x 機(jī)理和 Prompt NO x 機(jī)理，僅僅求解 NO 的輸運(yùn)方程：對 Fuel NO x 機(jī)理，除求解上述方程外， 還要求解與 NO 生成密切相關(guān)的組分NH

20、3 和 HCN的輸運(yùn)方程：湍流流動(dòng)中NO 的生成中還要考慮湍流和化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用，為此，求解密度加權(quán)的時(shí)均NS 方程以求解溫度，速度和組分（或平均混合物分?jǐn)?shù)）FLUENT。為計(jì)算NO 的生成速率，須利用平均流場的信息求計(jì)算區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的時(shí)均采用 PDF 的方法：對單變量：NO生成速率，可以對兩變量：相同的處理也適用與NH3和 HCN。6.6.2 煙（ soot）模型FLUENT 提供了煙生成的兩種模型，即Khan 和 Greeves 的單步模型（ One-step model）以及 Tesner 的兩步模型（ Two-Step model ）。對于單步模型，F(xiàn)LUENT 求解煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸

21、運(yùn)方程：（ 6-6）上式中， Rsoot 代表煙凈生成速率源項(xiàng)，即：(6-7)其中，煙形成速率Rsoot,form 由如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來獲得：煙燃燒速率Rsoot,comb 則如下計(jì)算：以上各式中的符號含義如下：Cs模型常數(shù)， Pfuel 燃料分壓， 當(dāng)量比， r當(dāng)量比指數(shù)， E/R活化溫度， A 模型常數(shù)， Y ox，Y fuel氧化劑和燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，soot，fuel煙和燃料的計(jì)量系數(shù)。對于兩步模型，首先預(yù)測核（radical nuclei ）的形成，然后再計(jì)算在這些核上煙的生成。因此， FLUENT 將計(jì)算上述兩個(gè)標(biāo)量的輸運(yùn)方程，即式（6-6）和下式：其中， b* nuc 為正交的核濃

22、度，R* nuc 為正交的核的凈生成速率。Rsoot 仍遵循（ 6-7）式的形式，其中對 R* nuc 則有，其中：上式中出現(xiàn)的各種參數(shù)和系數(shù)在 FLUENT中均設(shè)有默認(rèn)值， 具體的改動(dòng)和參見 FLUENT6.0 使用手冊第 17 章。此外，煙模型還可考慮煙與輻射之間的相互作用，此部分內(nèi)容將在熱輻射中介紹。6.7 FLUENT 中燃燒模擬計(jì)算的步驟和原則Start in 2D or 3D1） 確定物理模型的應(yīng)用范圍，2） 劃分計(jì)算網(wǎng)格（必要時(shí)應(yīng)根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格疏密），3） 確定求解量和計(jì)算收斂判據(jù)。Boundary conditions4） 燃燒問題通常對進(jìn)口邊界條件十分敏感，利用已知

23、的（或合理的）速度和標(biāo)量分布作為邊界條件是必要的，5） 壁面?zhèn)鳠釋τ谡麄€(gè)計(jì)算也是很重要的，若已知，應(yīng)指定壁面溫度，而非指定邊界條件中的內(nèi)部對流、輻射等。Initial conditions（6）盡管穩(wěn)態(tài)問題的解不依賴于初始條件，但很差的初始條件會導(dǎo)致問題不能收斂（由于輸運(yùn)方程的數(shù)量和非線性），7） 對一些燃燒問題，可先求解冷態(tài)問題，以此為初始條件求氣相燃燒問題，再求解離散相問題，再求解有輻射的問題，8） 對強(qiáng)旋流，應(yīng)逐漸增加其渦旋度。Underrelaxation Factors（9）松弛的效果是針對高度非線性問題的，Decrease the diverging residual URF in increments of 0.1使用混合物分?jǐn)?shù)PDF模型時(shí)應(yīng)松弛密度（0.5）對高浮力流應(yīng)松弛速度對高速流動(dòng)應(yīng)松弛壓力（10） 一旦獲得穩(wěn)定解，應(yīng)嘗試增加所有量的松弛因子以盡可能地接近默認(rèn)值。Discre