13-fluent-反应流模型总结

©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.ProprietaryFLUENT中的反应流模型IntroductoryFLUENTTraining10-2©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary大纲基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型涡耗散模型(EDM)预混模型非预混模型部分预混模型有限速率化学模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层流小火焰其它模型污染物行成模型(PollutantFormationModels)表面反应附录10-3©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary反应流系统应用FLUENT化学反应模型可以应用于很大范围内的均匀和非均匀反应流。熔炉锅炉加热器燃气涡轮火箭发动机可以预估流场和混合特征温度场介质浓度微粒和污染物（pollutants）10-4©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary反应流模拟的难点湍流大多数工业产生的流体流动都是湍流。因为具有很大的时间和空间尺度，所以对非反应湍流和反应湍流，DNS方法并不适用。化学现实中的化学反应不能使用单一的反应方程来表示。十几种组分，可能有上百种反应。只有有限数量的燃料知道反应细节。反应时间尺度范围大湍流和化学间的交互作用化学反应速率的变化和湍流中物质混合程度有十分密切的关系。10-5©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary燃烧中的化学动力学模拟简化化学模型(使用有限速度/涡耗散方法).考虑全局的化学反应原理。化学反应与湍流混合过程分离考虑（使用混合比方法）平衡化学PDF模型层流火焰模型部分预混模型模拟详细化学反应(占资源)需要特别小的时间步长来满足数值的稳定性和收敛性使用stiffsolver将可以允许稍大的时间步长。10-6©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary反应流模拟总览输运控制方程质量动量湍流能量化学组分离散相模型液滴/质点动力学异相化学反应液化作用蒸发作用反应模型快速化学反应有限速率化学反应预混部分预混非预混污染物模型(NOx,烟灰等.)辐射模型10-7©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary反应系统定义反应系统可以分成两类同相反应反应物与产物同相。异相反应反应物与产物不同相。表面沉积的化学物质被认为与相同组分的气相物质不同。沉积率同时受化学动力学和组分扩散率影响。壁面反应是产生体相中化学物质的来源，而且决定了表面的沉淀比例。表面反应：CVD,催化反应10-8©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary同相反应非预混反应系统反应物从火焰的两边对流/扩散进入。可以简化成混合问题。湍流旋涡扰动层流火焰形状加强了混合。预混反应系统传播速率（火焰速度）取决于内部火焰结构。比非预混燃烧问题更难建模。湍流扰动层流火焰形状，加速火焰传播。部分预混反应系统反应系统包括非预混和预混流。FuelOxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorOutletFuel+OxidizerReactorSecondaryFuelorOxidizerOutlet10-9©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary反应流问题的特征反应流问题通过一系列无量纲变量来表示。两种最重要的无量纲变量是Reynolds数和Damköhler数。Reynolds数ρ,U,L,μ分别是密度，速度，特征长度和动力粘性系数高雷诺数将表现为湍流Damköhler数高Damköhler数（Da1）表示需要使用气相湍流燃烧模型。LUForceViscousForceInertialRereactionmixingScaleTimeChemicalScaleTimeMixingDa10-10©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary反应流问题的特征马赫数Machnumber高马赫数(Ma0.3)表示可压缩性表现明显。对于低马赫数流动，可以使用非预混模型。Boltzmann数高Boltzmann数表示对流是主要的传热形式。当Bo10时，需要考虑辐射传热。cUvelocitySonicvelocityConvectionMa4inlet)(FluxHeatRadiationFluxHeatConvectionBoadpTTCUStefan-Boltzmannconstant5.672×10-8W/m2·K4Localspeedofsound(sonicvelocity)10-11©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary*Rateclassificationnottrulyapplicablesincespeciesmassfractionisnotdetermined.CHEMISTRYFLOWCONFIGURATIONPremixedNon-PremixedPartiallyPremixedFastChemistryEddyDissipationModel(SpeciesTransport)PremixedCombustionModelNon-PremixedEquilibriumModelPartiallyPremixedModelReactionProgressVariable*MixtureFractionReactionProgressVariable+MixtureFractionFinite-RateChemistryLaminarFinite-RateModelEddy-DissipationConcept(EDC)ModelCompositionPDFTransportModelLaminarFlameletModelSteady/UnsteadyFLUENT中反应流模型概览10-12©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary涡耗散使用1步或者2步总包（热扩散）反应原理.化学反应速率由湍流混合速率决定。有限速率项选择预混合火焰。非预混模型使用混合物比例和假定的PDF替代求解化学平衡中的物质输运和反应比例方程。层流小火焰模型用于中等的非平衡化学反应。预混模型使用反应程序.c文件建立化学反应。湍流火焰速度闭合--Zimont模型。部分预混合联合非预混和预混模型。两种模型都假设成立。涡耗散概念(EDC)为湍流火焰建立湍流/化学交换作用的模型。包括详细的化学反应。PDF传输模型比EDC模型更加严格的考虑湍流-化学之间的相互作用。考虑更充分，但也占用更多的计算机资源!同相（气相）燃烧模型10-13©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary基本概念FLUENT中的反应流模型总览快速化学模型涡耗散模型(EDM)预混模型非预混模型部分预混模型有限速度化学模型层流有限速度模型涡耗散概念模型(EDC)组分PDF输运模型非预混火焰中的层流小火焰其它模型污染物行成模型(PollutantFormationModels)表面反应附录大纲10-14©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary涡耗散模型(EDM)适用条件流域：湍流(高雷诺数)化学：快速化学反应(高Da)构造：预混/非预混/部分预混案例：气体反应煤燃烧限制条件当混合和运动时间尺度大小相似时(Da~1)，结果不可靠。不能预测中间组分和离解效果。不能模拟动力学细节现象，比如点火，熄火和低Da数流。求解物质输运方程，湍流混合控制反应速率。10-15©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary预混燃烧模型适用条件：流域：湍流(高雷诺数)化学：快速化学反应(高Da数)构造：只有预混气流案例：预混合反应流系统贫氧预混燃气涡轮燃烧室限制条件不能模拟化学动力学中的细节（比如点火，熄火和低Da数流动）。使用反应进展变量追踪火焰前沿轨迹(Zimont模型)。Fuel+OxidizerReactorOutlet10-16©2006ANSYS,Inc.Allrightsreserved.ANSYS,Inc.Proprietary非预混平衡模型适用条件流域：湍流(高雷诺数)化学：快速化学反应(高Da),假定平衡环境构造：只有非预混合案例气体反应（熔炉，火炉）。对于需要模拟中间产物浓度和离解效应的问题，那么采用这种模型是个较好的选择，不需要知道详细的化学反应速率。限制条件当混合和运动时间尺度大小相似时(Da~1)，结果不可靠。不能模拟化学动力学细节现象（比如点火，熄火，低Da数流动）。求解输运方程中的混合分数和混合