1、FLUENT中的反應流模型中的反應流模型Introductory FLUENT Training? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 大?綱基本概念FLUENT中的反應流模型總覽快速化學模型?渦耗散模型(EDM)預混模型非預混模型部分預混模型層流有限速度模型渦耗散概念模型(EDC)組分PDF輸運模型非預混火焰中的層流小火焰污染物行成模型(Pollutant Formation Models)表面反應?有限速率化學模型?其它模型?附

2、錄10-2ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反應流系統應用?FLUENT 化學反應模型可以應用于很大范圍內的均勻和非均勻反應流。?熔爐鍋爐加熱器燃氣渦輪火箭發動機流場和混合特征溫度場介質濃度微粒和污染物（ pollutants）Temperature in a Gas Furnace?可以預估?CO2Mass Fraction?Stream Function? 2006 ANSYS, Inc. All rights reser

3、ved.10-3ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反應流模擬的難點?湍流?大多數工業產生的流體流動都是湍流。因為具有很大的時間和空間尺度，所以對非反應湍流和反應湍流，DNS方法并不適用?，F實中的化學反應不能使用單一的反應方程來表示。?化學?十幾種組分，可能有上百種反應。只有有限數量的燃料知道反應細節。?反應時間尺度范圍大化學反應速率的變化和湍流中物質混合程度有十分密切的關系。?湍流和化學間的交互作用? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-4ANSYS, Inc

4、. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 燃燒中的化學動力學模擬?簡化化學模型(使用有限速度/渦耗散方法).?考慮全局的化學反應原理。?化學反應與湍流混合過程分離考慮（使用混合比方法）?平衡化學PDF模型層流火焰模型部分預混模型?模擬詳細化學反應(占資源)?需要特別小的時間步長來滿足數值的穩定性和收斂性使用stiff solver將可以允許稍大的時間步長。? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-5ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT Note

5、sFLUENT v6.3 Aug 反應流模擬總覽離散相模型液滴/質點 動力學異相化學反應液化作用蒸發作用反應模型快速化學反應有限速率化學反應預混部分預混非預混輸運控制方程質量動量湍流能量化學組分污染物模型(NOx, 煙灰等.)輻射模型? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-6ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反應系統定義?反應系統可以分成兩類?同相反應?反應物與產物同相。?異相反應?反應物與產物不同相。表面沉積的化學物質被認為與相同組分的氣相物質不同。? 沉積

6、率同時受化學動力學和組分擴散率影響。? 壁面反應是產生體相中化學物質的來源，而且決定了表面的沉淀比例。?表面反應： CVD, 催化反應? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-7ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 同相反應?非預混反應系統?FuelReactorOxidizerOutlet反應物從火焰的兩邊對流/擴散進入。可以簡化成混合問題。湍流旋渦擾動層流火焰形狀加強了混合。?預混反應系統?傳播速率（火焰速度）取決于內部火焰結構。?比非預混燃燒問題更難建模。湍流

7、擾動層流火焰形狀，加速火焰傳播。Fuel+OxidizerReactorOutletSecondaryFuel or Oxidizer?部分預混反應系統?反應系統包括非預混和預混流。Fuel+OxidizerReactorOutlet? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-8ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反應流問題的特征?反應流問題通過一系列無量綱變量來表示。兩種最重要的無量綱變量是Reynolds 數和Damk? hler 數。Reynolds數Iner

8、tial Force?U LRe?Viscous Force?, U, L, 分別是密度，速度，特征長度和動力粘性系數高雷諾數將表現為湍流?Damk? hler數?mixingMixing Time ScaleDa?Chemical Time Scale?reaction?高Damk? hler數（Da1）表示需要使用氣相湍流燃燒模型。10-9ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 反應流問題的特征?馬赫數Mach numberCo

9、nvection velocity UMa?Sonic velocitycLocal speed of sound(sonic velocity)?高馬赫數(Ma 0.3) 表示可壓縮性表現明顯。對于低馬赫數流動，可以使用非預混模型。?Boltzmann數Convection Heat Flux(?U CpT)inletBo?4Radiation Heat Flux?TadStefan-Boltzmann constant5.67210-8W/m2K4?高Boltzmann數表示對流是主要的傳熱形式。當Bo 1)燃燒完全通過湍流混合比例控制，湍流混合比例是指大渦存在時間標量比例, k / 。?

10、總包反應（一步或兩步）每種物質都需要解算雷諾（時間）平均物質質量分數方程。有限比例/渦耗散選項?反應率是Arrhenius比例和渦耗散比例的最小值。10-29ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 非預混模型?湍流中無限快速反應，當油和氧化劑混合（有限的混合）的時候，瞬間達到化學反應平衡。物質和焓輸運方程合并成為單一的混合分數守恒方程，f，它滿足下列假設條件：?物質擴散系數相等 Species diffusion coefficie

11、nts are equal每種物質的Lewis 數必須一致相等中等馬赫數?混合分數可以直接和物質質量分數，混合密度，混合溫度相關。這些關系稱作瞬間（不是時間平均的）數據。使用概率密度函數把瞬間數據轉變成為時間平均數據（湍流反應流模擬預估時間平均屬性）。10-30ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 復合PDF輸運模型?復合概率密度函數（PDF）輸運模型用來模擬湍流焰中的有限速率化學反應。?比EDC模型更嚴格?可以從PDF中通過下式

12、計算出平均反應率：?11?k?w ?kP dYN? dY1dTw0 00?PDF輸運方程有十分高的維度，而且不能用有限體積方法求解，是通過蒙特卡洛方法解算的。? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-31ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug In-Situ Adaptive Tabulation (ISAT) 算法?初衷?當使用詳細化學反應模型（EDC，綜合PDF，層流有限比例）時，每個單元（或者每個粒子）在每步迭代都需要求解剛性反應系統（ODE的集合）需要一種高效

13、的方法獲得只關心部分的數據。?In-situ adaptive tabulation (ISAT) 方法可以加快反應表格的生成和數據的查看。優點?避免重復的數值積分，節省了計算機CPU的計算時間。初始迭代比較慢（表格正在建立），但是計算在加速運轉中。?適用條件?ISAT 可以使用于PDF輸運, EDC, 和層流有限比例模型? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-32ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug NOx模型?NOx由氮的氧化物組成，對環境有害FLUENT 有

14、三種計算NOx產生的機理。?Thermal NOx?高溫時十分有效在富燃區有效燃料中氮的含量高而且溫度也相對較低時使用?Prompt NOx?Fuel NOx?User-defined function?NOx再燃?NO 可以通過和富含燃料區域中的碳氫化合物反應而減少。?Non-Catalytic Reduction (SNCR) 模型。NOx形成的定性預測10-33ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 示例?富燃，預混火焰?ED

15、CPDF傳輸層流有限速率?IFRF 旋渦煤粉火焰?詳細化學反應模型DPM輻射?GE LM-1600 燃氣渦輪燃燒室?非預混， 層流小火焰溫度和燃料NOx預測?D形西瓜火焰（Sandia Flame D）?非預混湍流擴散火焰EDC / PDF 傳輸比較?催化燃燒?表面反應多孔介質? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-34ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 案例學習: 富燃預混合火焰?富燃預混合預蒸發（LPP）丙烷/空氣火焰?減少燃燒污染物(CO 和NOx)的擴散

16、?軸對稱火焰管?幾何量丙烷/空氣混合物火焰穩定段Propane/aird = 10.25 cm, L = 42.92 cmV = 25 m/s, T = 800 K51% open area7,056 quad elements* D.N. Anderson, NASA Lewis Research Center, NASA-TM-X-71592, March 1975.? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-35ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 富燃預混合火

17、焰?湍流化學相互作用弱?完全預混合火焰區薄化學反應正好在火焰陣面之后發生NO 和N2O 形成的Kundu機理?丙烷詳細的化學機理?17 種物質和23步反應?有限速率化學燃燒模型?層流有限速率模型?完全忽略湍流-化學間的相互影響。可能導致NOx的低預測反應發生非?？?，而且NOx只有很少的時間累積正確模擬湍流-化學相互作用?EDC 模型?復合PDF輸運?* K.P. Kundu et al., NASA Lewis Research Center, AIAA Paper No. 98-3986, July 1998? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-

18、36ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 富燃預混合火焰 溫度云圖EDC modelLaminar Finite-Rate ModelPDF model? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-37ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug IFRF旋渦煤粉火焰?IFRF 工業生產規模的電爐1997年，Peters和Weber 進行的模擬仿真 ，“建立2.4兆瓦的旋渦煤粉火焰數學模型,

19、” Combustion Science and Technology, 122, 131 Ref. 1Exhaust1/4 Geometry7 Cooling loopsMeasurement LocationsInletz = 0.25 m,z = 0.85 mSwirl Number = 0.923Flow Rate = 2684 kg/hrCoal flow rate = 263 kg/hrCoal + transport air = 421 kg/hr? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-38ANSYS, Inc. Proprietary

20、IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 網格?三維周期的四分之一幾何模型非結構六面體網格?自適應前7萬單元對靠近入口區域自適應后有26萬單元最大的網格扭曲度是0.53? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-39ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 氣相燃燒模擬Contours of Mean Temperature (K)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-40ANSYS, I

21、nc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 離散相?Gottelborn hvBb 煤?起始(重量%, 干燥)?揮發物55.0, 固定碳36.7, 灰8.380.36 C, 5.08 H, 1.45 N, 0.94 S, 12.17 O.?最終(重量%, daf)?較低的生熱值(LCV, MJ/kg daf)?揮發物32.3, 燒焦32.9?Rosin-Rammler 大小分布?最小1 m, 最大300 m, 平均45 m, 帶寬1.36A = 2105s-1E = 7.4107J/kmol?單比例devolatization模

22、型?Kinetics/diffusion-limited 表面燃燒隨機軌道模型?每步DPM迭代21600軌跡, 10 個粒子大小每步DPM迭代中進行25種氣相迭代10-41ANSYS, Inc. Proprietary? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.IntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 溫度/組分結果?平均溫度(K)?平均NO (ppm, dry)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-42ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFL

23、UENT NotesFLUENT v6.3 Aug GE LM-1600燃氣渦輪燃燒室?Courtesy Nova Research and Technology Corp., Calgary, Canada非預混合, 天然氣12.8 MW, 19:1 壓力比(全負荷)環形燃燒室, 18個噴嘴Swirl vanesFuel inlet nozzlesDilution air inlets? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-43ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Au

24、g 氣相燃燒模擬Contours of Mean Temperature (K)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-44ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug NOx模擬?Thermal and fuel NOxd?NO?2Ae?E/RT?O?N2?dtContours of Mean NO (ppm, wet)? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-45ANSYS, Inc. ProprietaryIntroduct

25、oryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug NOx模擬?NO出口流量vs.燃燒室負荷?XV?dA?NOexitflux?10?V?dANO6? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-46ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug D形西瓜火焰-PDF 輸運?試驗?非預混合甲烷， 湍流擴散火焰D形西瓜火焰?幾何?2352個矩形網格單元的軸對稱網格?湍流?標準k，其中C1= 1.52,，ScT= 1.0 ?混合?使用C= 2 ，IEM和修正Curl?化學?1

26、6種組分? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-47ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug Mean TemperatureRMS TemperatureMean CORed symbol : Experiment, Blue solid line: Modified Curl, Green dashed line : IEM? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-48ANSYS, Inc. ProprietaryIntr

27、oductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 催化燃燒?單通道模擬:?在壁面發生的反應二維軸對稱幾何假設整體為多孔介質多孔介質中考慮壓力下降和流體加速多孔介質中有反應的發生(指定表面體積比)二維軸對稱幾何?整體模擬:? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-49ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 單通道? 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.10-50ANSYS, Inc. ProprietaryIntroductoryFLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 模型設置 單通道Platinum CatalystT = 1290 KCH4airL = 10 cmD = 2 mm?邊界條件:?體積分數: 3% CH4入口流速: 5 m/s入口溫度: 600 K?氣相物質:CH4, O2, H2, H2O, CO, CO2, N2, OH?表面物質:Pt(s), H(s), O(s), OH(s), H2O(s), H3(s), CH2(s), CH(s), C(s),