第三章-fluent仿真有限速率燃烧模型

三、有限速率燃烧模型•层流有限速率模型•有限速率/涡耗散模型（EDM）•涡耗散模型（EDM）•涡耗散概念模型（EDC）有限速率模型概述•用总包机理反应描述化学反应过程.•求解化学组分输运方程，反应速率以源项形式出现：•组分j的源项(产生或消耗）是机理中所有k个反应的净反应速率:•Rjk：第k个化学反应生成或消耗的j组分。（根据Arrhenius速率公式、漩涡耗散等理论进行计算）.RRjjkk1、层流有限速率模型•特点：使用Arrhenius公式计算反应速率作为源项，忽略湍流脉动的影响。•使用范围：反应缓慢、湍流脉动较小的燃烧。E:反应活化能CA、CB：反应物浓度a、b：化学反应计量数K0：指前因子Arrhenius化学动力学的高度非线性性，模拟结果一般不精确！三种特殊情况•1、有逆向反应'',1,,',1,,','',,ˆrjNjrjrbrjNjrjrfriririrrCkCkR反应速率公式',ri'',rirfk,rbk,',rj'',rj反应r中反应物i的化学计量数反应r中生成物i的化学计量数反应r的正向速率常数反应r中反应物i的化学计量数反应r中每种反应物或生成物j的正向反应速度指数反应r中每种反应物或生成物j的逆向反应速度指数三种特殊情况•2、第三体的影响•3、压力独立反应反应发生在高压和低压限制之间，不仅仅依赖于温度。'',1,,',1,,','',,ˆrjNjrjrbrjNjrjrfriririrrCkCkRrNjjrjC,FLUENT相关设置1、选择模型2、定义材料FLUENT相关设置3、定义化学反应特殊情况指前因子和活化能化学反应式使用不多，不做举例介绍FLUENT相关设置4、设置点火区域Solve-initiaze-patch2、涡耗散模型•快速燃烧假设：化学反应速率与湍流混合（扩散）速率相比无穷快，即湍流燃烧过程由燃料和氧化剂的混合过程控制。•整体反应速率由湍流混合控制；•Damkohiler数：涡耗散模型概述•非预混火焰中：湍流“缓慢地”通过对流作用，使燃料和氧化剂进入反应区，在反应区内快速地燃烧；•非预混火焰中：湍流作用使冷的反应物和热的生成物进入反应区，在反应区快速地燃烧；•燃料和氧化剂进入反应区快速地发生反应，燃烧成为混合限制的，即扩散控制的燃烧；•忽略了复杂、未知的化学反应动力学速率；涡耗散模型概述•假设：认为化学反应速率取决于未燃气体微团在湍流作用下破碎成更小微团的速率；•公式：•特征：突出了湍流混合对燃烧速率的控制作用；•缺点：未考虑分子输运和化学动力学因素的影响，过于粗糙。RwrRRiwririMYkAMR,',,',,min涡耗散模型理论•YP：产物的质量分数•YR：反应物的质量分数•A、B：经验常数，A=4.0，B=0.5；••jwrjNjppiwririMYkABMR,'',,',,反应速率计算（取较小者）反应r中反应物i的化学计量数反应r中生成物i的化学计量数',ri'',ri控制反应速率涡耗散模型理论•反应速率由大涡混合时间尺度控制，只要出现0的情况，燃烧即可进行，故不需要点火源；•常用于非预混火焰；•但在预混火焰中，反应物一进入计算区域就开始燃烧，该模型计算的燃烧会出现超前性，故一般不单独使用。/k/kjwrjNjppiwririMYkABMR,'',,',,FLUENT相关设置1、选择能量方程和湍流模型2、选择涡耗散模型FLUENT相关设置3、在设置材料处产看相关反应反应速率由大涡混合时间尺度控制，不需要设置点火源。/kFLUENT相关设置•4、初始化时设置产物质量比例为0.01，用于启动反应。jwrjNjppiwririMYkABMR,'',,',,RwrRRiwririMYkAMR,',,',,min涡耗散模型的使用•适用条件：湍流（高Re数），快速化学反应（高Da数），预混、非预混、部分预混；•案例：气体反应、煤燃烧；•限制条件：（1）混合时间和反应时间相似时不可靠；（2）没有从化学动力学角度去控制中间物质；（3）不能模拟点燃、熄灭等动力学细节现象。涡耗散模型举例燃气入口点火燃烧：150m/s烟气出口物理模型实例演练二、涡耗散模型模型及边界条件•功率：16kw,天然气作为燃料；•模型：涡破碎燃烧模型（EDC），离散坐标辐射模型（DO）；•管壁：601合金，3mm厚，发射率0.85；•炉温：950℃•空气预热温度：627℃•排烟压力：-500pa3、有限速率/涡耗散模型•简单结合了Arrhenius公式和涡耗散方程。•避免预混燃烧中，ED模型出现的提前燃烧问题。有限速率/涡耗散模型•同时计算Arrhenius公式和涡耗散方程；•净反应速率取两个速率中的较小值。•Arrhenius速率：作为动力学开关，阻止反应发生在火焰稳定器之前；•点燃后，涡耗散速率一般小于Arrhenius速率。jwrjNjppiwririMYkABMR,'',,',,有限速率/涡耗散模型优缺点•优点：结合了动力学因素和湍流因素；•缺点：只能用于单步或双步反应。（1）多步反应机理基于Arrhenius速率，每个反应的都不一样；（2）涡耗散模型中，每个反应都有同样的湍流速率；（3）不能预测化学动力学控制的物质，如活性物质。4、涡耗散概念模型Eddy-DissipationConceptEDC模型理论•是涡耗散模型的扩展，在湍流流动中包括了详细的化学反应机理，假定化学反应都发生在小涡当中，反应时间由小涡的生存时间和化学反应本社所需要的时间来共同控制；•小涡的尺度由下式计算：•认为物质在这个尺度中，反应经过一个时间尺度：4/32*kC2/12*TCCC容积比率常数，=2.1377时间尺度常数，=0.4082EDC模型理论•FLUENT中，小涡的化学反应发生在等条件下，初始条件为单元中当前的组分和温度，速率计算采用Arrhenius公式，采用数值积分的方法来计算经过一个时间后的反应物状态。源项计算公式：组分守恒方程**iYiiiYYw*3**2*1EDC模型特点•湍流反应中考虑了详细的化学反应机理；•数值积分计算开销很大，计算速度较慢；•在快速化学反应假定无效的情况下使用该模型，即低Da数，如快速熄灭火焰中中CO缓慢燃烧、NOx的生成等；•推荐使用双精度求解器，避免反应速率中指前因子和活化能产生的误差。EDC模型的使用•适用条件：湍流，低Da数，预混、非预混和部分预混燃烧；•案例：（1）湍流反应中的预混合有限比例现象；（2）CO的缓慢燃烧；（3）NOx的形成.•限制条件：占用CPU资源较多，默认使用ISAT算法加速EDC模型FLUENT设置1、选择EDC模型容积比例常数时间比例常数EDC模型FLUENT设置2、查看化学反应（define-materials-reaction）计算化学反应速率，定义活化能和指前因子FLUENT相关设置3、设置点火高温区域Solve-initiaze-patch5、有限速率模型总结模型层流有限速率有限速率/EDMEDMEDC特点使用Arrhenius计算燃烧速率，忽略湍流脉动影响反应速率取Arrhenius和涡耗散方程较小者反应速率由湍流混合控制在湍流流动中包含了详细的化学反应机理适用条件层流火焰单步、双步反应非预混火焰快速化学反应假定无效的情况缺点不适合湍流燃烧不适合多步反应忽略了复杂的化学动力学因素占用计算机内存很大