TemperatureinagasfurnaceFLUENT中組分輸運及化學反應（燃燒）模擬熱科學與能源工程系2003年10月TemperatureinagasfurnaceFL概要應用燃燒模擬簡介化學動力學氣相燃燒模型稀疏相燃燒模型污染物排放模擬燃燒數值模擬步驟介紹概要應用燃燒模擬廣泛應用與均相和非均相燃燒過程模擬燃燒爐鍋爐加熱器燃氣輪機火箭發動機求解內容流場流動特性及其混合特性溫度場組分濃度場顆粒和污染物排放TemperatureinagasfurnaceCO2massfractionStreamfunction燃燒模擬廣泛應用與均相和非均相燃燒過程模擬Temperatu燃燒模型概要稀疏相模型液滴/顆粒動力學非均相反應液化蒸發輸運控制方程質量動量(湍流)能量化學組分燃燒模型預混局部預混非預混燃燒污染物模型輻射換熱模型燃燒模型概要稀疏相模型液滴/顆粒動力學輸運控制方程質量燃燒模氣相燃燒有限速率模型(Magnussenmodel)守恒標量的PDF模型(一個或兩個混合分數)層流火焰面（小火焰）模型(V5)Zimontmodel(V5)稀疏相模型湍流顆粒彌散隨機軌道模型（Stochastictracking）顆粒云團模型（Particlecloudmodel）(V5)粉煤與噴油燃燒子模型

輻射模型:DTRM,P-1,Rosseland和DiscreteOrdinates(V5)湍流模型:k-,RNGk-,RSM,Realizablek-(V5)andLES(V5)污染物排放模型:NOxwithreburnchemistry(V5)andsootFLUENT提供的燃燒模型氣相燃燒FLUENT提供的燃燒模型模擬燃燒過程的化學反應動力學難點與挑戰多數實際的燃燒過程是湍流化學反應速率高度非線性;湍流－化學反應高度耦合，相互作用很重要。真實化學反應機理包含數十個組分,數百個基元反應，并且方程組極具剛性(基元化學反應時間尺度相差大)實際處理方法簡化化學反應機理有限速率燃燒模型考慮湍流及其混合、弱化反應化學混合分數模型平衡化學的PDF模型層流火焰面模型進展變量模型Zimont模型模擬燃燒過程的化學反應動力學難點與挑戰有限速率模型用總包機理反應描述化學反應過程.求解化學組分輸運方程.求解當地時間平均的各個組分的質量分數,mj.組分j的源項(產生或消耗）是機理中所有k個反應的凈反應速率:

Rjk(第k個化學反應生成或消耗的j組分)是根據Arrhenius速率公式、混合或渦旋破碎（EBU）速率的小值。.

混合速率與渦旋壽命相關,k/.物理意義是湍流渦旋是決定化學反應的首要因素。對于非預混燃燒，湍流渦旋決定了組分混合；對于預混燃燒湍流決定了熱輸運（高溫加熱低溫）。即：化學反應決定于湍流混合組分（非預混燃燒）和熱量（預混燃燒）的速率。有限速率模型用總包機理反應描述化學反應過程.Fluent燃燒模型有限速率模型

求解組分的質量分數輸運方程，化學反應機理由用戶自己定義。非預混燃燒模型

該模型中并不求解單個組分的輸運方程，而是求解一個或者兩個守恒標量（混合分數）的輸運方程

預混燃燒模型模擬完全混合的燃燒問題。充分混合的燃燒物和產物被火焰前鋒分隔，求解出的化學反應進展變量來描述該火焰前峰的位置

部分預混燃燒模型

該模型用來處理系統中同時具有非預混和充分預混的情況。該方法同時求解了混合分數和反應進展變量

Fluent燃燒模型有限速率模型有限化學反應速率模型設置要求:給出組分及其物性給出化學反應及其反應速率在內的化學反應動力學數據FLUENTV5在mixturematerialdatabase里面提供了數據對于常用的燃料，數據庫都會給定機理，組分物性等信息.如果用戶需要給定個性化機理，則:生成新的混合物.改變已有混合物的物性/化學反應.有限化學反應速率模型設置要求:有限速率模型小節優點:可以應用于nonpremixed,partiallypremixed和premixedcombustion簡單、直觀應用廣泛缺點:不適合混合速率與化學反應動力學時間尺度相當時候的化學反應(要求Da>>1).沒有嚴格考慮湍流－化學反應之間的相互作用問題不能考慮中間產物或組分、不能考慮分裂影響.模型常數不確定,特別是用于計算多個化學反應的時候尤為如此，模型常數通用性較差。.有限速率模型小節優點:守恒標量(混合物分數)模型:PDF模型只適應用于非預混(擴散)火焰燃燒假定化學反應過程受混合速率控制滿足局部化學平衡.控制體（計算單元）組分、物性決定于燃料和氧化劑在該處的混合程度.化學反應機理不明確.用化學平衡計算來處理化學反應(prePDF).只求解混合物分數及其方差的輸運方程,無需求解組分的輸運方程.可以嚴格考慮湍流與化學反應的相互作用守恒標量(混合物分數)模型:PDF模型只適應用于非預混合分數定義混合分數,f,寫成元素的質量分數形式:其中，Zk

是元素k的質量分數；下標

F

和O

表示燃料和氧化劑進口流處的值。對于簡單的fuel/oxidizer系統,混合物分數代表計算控制體里的燃料質量分數.混合物分數是守恒標量（conservedscalar）:組分輸運方程中沒有化學反應源項.混合分數定義混合分數,f,寫成元素的質量分數形式:可以用單個混合物分數模擬的燃燒系統Fuel/air擴散火焰:多氧化劑入口的擴散火焰:多燃料進口的擴散火焰:60%CH440%CO21%O279%N2f=1f=035%O265%N260%CH440%CO35%O265%N2f=1f=0f=060%CH420%CO10%C3H810%CO221%O279%N2f=1f=0f=160%CH420%CO10%C3H810%CO2可以用單個混合物分數模擬的燃燒系統Fuel/air擴散火焰系統化學平衡假設化學反應很快到達平衡.可以考慮中間組分.系統化學平衡假設化學反應很快到達平衡.PDF模擬Turbulence-Chemistry相互作用Fluctuatingmixturefractioniscompletelydefinedbyitsprobabilitydensityfunction(PDF).p(V),thePDF,representsfractionofsamplingtimewhenvariable,V,takesavaluebetweenVandV+V.p(f)canbeusedtocomputetime-averagedvaluesofvariablesthatdependonthemixturefraction,f:SpeciesmolefractionsTemperature,densityPDF模擬Turbulence-Chemistry相互作用PDFModelFlexibility非絕熱系統:Inrealproblems,withheatlossorgain,localthermo-chemicalstatemustberelatedtomixturefraction,f,andenthalpy,h.Averagequantitiesnowevaluatedasafunctionofmixturefraction,enthalpy(normalizedheatloss/gain),andthePDF,p(f).第二守恒標量:FLUENT用第二守恒標量可以模擬:Twofuelstreamswithdifferentcompositionsandsingleoxidizerstream(visaversa)NonreactingstreaminadditiontoafuelandanoxidizerCo-firingagaseousfuelwithanothergaseous,liquid,orcoalfuelFiringsinglecoalwithtwooff-gases(volatilesandcharburnoutproducts)trackedseparatelyPDFModelFlexibility非絕熱系統:混合分數/PDF模型小節優點:可以計算中間組分.考慮分裂影響.考慮湍流－化學反應之間作用.無需求解組分輸運方程（特別是多組分），簡化計算量性能好，經濟缺點:系統必須滿足（靠近）局部平衡.不能用于可壓速或非湍流流動.不能用于預混燃燒.混合分數/PDF模型小節優點:層流火焰面模型用混合分數和標量耗散率來求解（絕熱）溫度、密度和組分等量。對于混合分數PDF模型(絕熱),熱－化學狀態只是f

的函數c

與當地應變率有關把混合分數PDF擴展到模擬中度化學非平衡燃燒模擬中用層流拉伸火焰系綜來模擬湍流火焰,對撞擴散火焰層流火焰面模型用混合分數和標量耗散率來求解（絕熱）溫度、密度層流火焰面模型(2)用指定概率密度函數（PDF）P(f,c)的方法來決定層流火焰面系綜。假定的概率包括計算為：Pf(f)Pc

(c),其中，Pf(f)

用Beta函數，Pc

(c)用delta函數只適合絕熱系統（FLUENTV5）ImportstrainedflamecalculationsprePDForSandia’sOPPDIFcodeSingleormultipleflameletsSingle: userspecifiedstrain,aMultiple: strainedflameletlibrary,0<a<aextinctiona=0equilibriuma=aextinctionisthemaximumstrainratebeforeflameextinguishesPossibletomodellocalextinctionpockets(e.g.liftedflames)層流火焰面模型(2)用指定概率密度函數（PDF）P(f,c預混燃燒的Zimont模型用單個過程變量來模擬熱－化學過程,

平均反應速率,湍流火焰傳播速度,Ut,根據貧燃預混燃燒推導得到，并考慮預混燃料當量比湍流引起的火焰前鋒皺折和增厚湍流拉伸引起的火焰前鋒淬熄分子擴散適合絕熱燃燒,非絕熱燃燒必須求解焓方程預混燃燒的Zimont模型用單個過程變量來模擬熱－化學過程,稀疏相模型在拉格朗日坐標系下，求解顆粒、液滴、氣泡的軌道.并與連續相（氣相）進行熱、質量和動量的耦合求解。稀疏相體積分數必須<10%質量分數可以比較高不考慮顆粒之間作用、顆粒破碎模擬湍流彌撒隨機軌道（Stochastictracking）顆粒云團模型（Particlecloud(V5)）Rosin-Rammlerorlinearsizedistribution非定常流動中的顆粒軌道(V5)模擬顆粒分離,噴霧烘干,液體燃料或煤粉的燃燒過程。.計算連續相流動場計算顆粒軌道更新連續相源項稀疏相模型在拉格朗日坐標系下，求解顆粒、液滴、氣泡的軌道.Monte-Carlo方法模擬湍流顆粒彌散(discreterandomwalks)顆粒運動計算中考慮氣體的平均速度及隨機湍流脈動速度的影響。每個軌道包含了一群具有相同特性的顆粒，如相同的初始直徑，密度等.考慮湍流彌散尤為重要更復合真實物理過程，但計算量更大。可以通過光滑源項、消除與氣相的耦合來強化計算穩定性；顆粒彌散:隨機軌道模型CoalparticletracksinanindustrialboilerMonte-Carlo方法模擬湍流顆粒彌散(discret顆粒彌散:顆粒云團模型用平均速度決定顆粒的平均軌道假定該平均軌道為3D多變量的Gaussian分布，計算顆粒偏離的范圍（3倍標準偏差）RigorouslyaccountsforinertialanddriftvelocitiesAparticlecloudisrequiredforeachparticletype(e.g.initiald,retc.)Particlescanescape,reflectortrap(releasevolatiles)atwallsEliminates(singlecloud)orreduces(fewclouds)stochastictrackingDecreasedcomputationalexpenseIncreasedstabilitysincedistributedsourcetermsingasphase BUTdecreasedaccuracysinceGasphaseproperties(e.g.temperature)areaveragedwithincloudPoorpredictionoflargerecirculationzones顆粒彌散:顆粒云團模型用平均速度決定顆粒的平均軌道非定常流動的顆粒軌道模擬EachparticleadvancedintimealongwiththeflowForcoupledflowsusingimplicittimestepping,sub-iterationsfortheparticletrackingareperformedwithineachtimestepFornon-coupledflowsorcoupledflowswithexplicittimestepping,particlesareadvancedattheendofeachtimestep非定常流動的顆粒軌道模擬Eachparticleadva煤/油燃燒模型變化模型可以模擬煤或油燃燒lDroplet–油燃燒模擬Combustingparticle

–煤燃燒模擬Severaldevolatilizationandcharburnoutmodelsprovided.Note:Thesemodelscontroltherateofevolutionofthefueloff-gasfromcoal/oilparticles.Reactionsinthegas(continuous)phasearemodeledwiththePDForfiniteratecombustionmodel.煤/油燃燒模型變化模型可以模擬煤或油燃燒lNOxModelsNOx

中含量最多的是一氧化氮(NO).

引起煙霧引起酸雨導致臭氧損耗NOx

排放有三個機理:熱機理（ThermalNox）-Zeldovichmechanism(氧化空氣中的N)高溫燃燒最明顯快速機理（PromptNOx）-DeSoete,Williams提出的經驗機理.通常該機理對Nox排放量影響較小富燃燃燒區域該機理有明顯作用燃料NOx

機理-DeSoete,Williams等人提出的經驗機理.在煤燃燒中，燃料中含N高，并且燃燒溫度不是很高時起作用。NOx

再燃(V5)在燃料富足的燃燒區域，NO會與碳氫化合物反應，使得NO減少NOxModelsNOx中含量最多的是一氧化氮(NO)煙（Soot）模型兩種煙模型:One-step模型(KhanandGreeves)1個輸運方程，煙質量分數Two-Step模型(Tesner)TransportequationsforradicalnucleiandsootmassfractionconcentrationsSoot生成采用經驗公式

其中,C,pf,和F

是模型常數,燃料分壓力和當量比。采用Magnussen模型計算Soot燃燒(消耗)Soot對輻射的影響激活Soot面板上的Soot-Radiation選項煙（Soot）模型兩種煙模型:燃燒模擬步驟及求解策略打開求解器（2D或3D）檢查物理模型適用性網格分辨率需求(resolveshearlayers)求解參數、收斂條件設置邊界條件燃燒經常對進口邊界條件十分敏感正確的進口標量和速度的分布很難估計壁面熱條件；盡可能優先給定邊界溫度，很難給定對流換熱或者輻射換熱量

初始條件穩態解跟初始值無關，但給的初始值不好，由于各個方程之間不和諧和輸運方程的非線性，導致解分歧或發散不收斂。先求解冷態流動、接著氣體燃燒、顆粒燃燒、再考慮輻射；對于強旋流動，漸漸增加旋流速度；燃燒模擬步驟及求解策略打開求解器（2D或3D）燃燒模擬步驟及求解策略（2）低松弛因子松弛因子改變對結果影響是高度非線性的采用混合分數PDF模型時，密度采用低松弛(0.5)考慮浮力流動中，速度采用低松弛因子高速流動中壓力采用低松弛因子一旦解較為穩定,盡可能讓松弛因子提高到系統默認值(溫度，0.9；P是1；旋流速度，組分（混合分數）也是1或接近