一文深入了解Fluent中的所有燃燒模型

2019-09-16 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

Fluent軟件中包含多種燃燒模型、輻射模型及與燃燒相關(guān)的湍流模型,適用于各種復(fù)雜情況下的燃燒問(wèn)題,包括固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過(guò)程、燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒室、民用鍋爐、工業(yè)熔爐及加熱器等。燃燒模型是FLUENT軟件優(yōu)于其它CFD軟件的最主要的特征之一。

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Fluent可以模擬氣相燃燒,也可以模擬分散相燃燒。其中氣相燃燒在Species組分模型中選擇和設(shè)置。分散相燃燒需要在DPM顆粒模型中選擇和設(shè)置。

A、氣相燃燒模型

在Fluent中,氣相燃燒模型是在Species組分模型的中。

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打開(kāi)模型后,可以看到Fluent提供了5種燃燒仿真模型。

1.Species Transport(有限速度模型)

2.Non-Premixed Combustion(非預(yù)混燃燒模型)

3.Premixed Combustion(預(yù)混燃燒模型)

4.Partially Premixed Combustion(部分預(yù)混燃燒模型)

5.Composition PDF Transport(PDF運(yùn)輸方程模型)

其中,Species Transport(有限速度模型)無(wú)論在層流模型還是湍流模型下,都可以選擇。剩下的四種燃燒模型,必須啟動(dòng)湍流模型才能選擇。

一、Species Transport(有限速度模型)

Species Transport模型要仿真燃燒的話,必須勾選Reactions下面的Volumetric,如下圖。同時(shí),在面板的右側(cè)出現(xiàn)了4個(gè)化學(xué)反應(yīng)模型可選。

這種模型求解反應(yīng)物和生成物輸運(yùn)組分方程,并由用戶來(lái)定義化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。反應(yīng)率作為源項(xiàng)在組分輸運(yùn)方程中通過(guò)阿累紐斯方程或渦耗散模型。有限速率模型應(yīng)用范圍最為廣泛,可以模擬化學(xué)組分混合、運(yùn)輸和反應(yīng)問(wèn)題,壁面或粒子表面反應(yīng)問(wèn)題,也適用于預(yù)混燃燒、局部預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒。

應(yīng)用領(lǐng)域:該模型可以模擬大多數(shù)氣相燃燒問(wèn)題,在航空航天領(lǐng)域的燃燒計(jì)算中有廣泛的應(yīng)用。

該模型為最常用模型,其計(jì)算反應(yīng)速度的方法Fluent提供了4種,見(jiàn)上圖右下方。Laminar Finite-Rate(層流有限速率模型)、Finite-Rate/Eddy-Dissipation(有限速率/渦耗散模型)、Eddy-Dissipation(渦耗散模型)和Eddy-Dissipation Concept(EDC,渦-耗散-概念)。

1.1 Laminar Finite-Rate(層流有限速率模型):使用Arrhenius公式計(jì)算化學(xué)源項(xiàng),忽略湍流脈動(dòng)的影響。對(duì)于化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的燃燒(如層流燃燒),或化學(xué)反應(yīng)相對(duì)緩慢的湍流燃燒是準(zhǔn)確的。但對(duì)一般湍流火焰中Arrhenius化學(xué)動(dòng)力學(xué)的高度非線性一般不精確;對(duì)于化學(xué)反應(yīng)相對(duì)緩慢、湍流脈動(dòng)較小的燃燒(如超音速火焰)可能可以接受。

1.2 Finite-Rate/Eddy-Dissipation(有限速率/渦耗散模型):簡(jiǎn)單結(jié)合了Arrhenius公式和渦耗散方程。避免了Eddy-Dissipation模型出現(xiàn)的提前燃燒問(wèn)題。Arrhenius速率作為動(dòng)力學(xué)開(kāi)關(guān),阻止反應(yīng)發(fā)生在火焰穩(wěn)定器之前。點(diǎn)燃后,渦速率一般小于Arrhenius速率。優(yōu)點(diǎn):結(jié)合了動(dòng)力學(xué)因素和湍流因素;缺點(diǎn):只能用于單步或雙步反應(yīng)。

1.3 Eddy-Dissipation(ED,渦耗散模型):大部分燃料快速燃燒,整體反應(yīng)速率由湍流混合控制,突出湍流混合對(duì)燃燒速率的控制作用。復(fù)雜且常是未知的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率可以完全的被忽略掉。化學(xué)反應(yīng)速率由大尺度渦混合時(shí)間尺度k/e控制。只要k/e(湍流)> 0出現(xiàn),燃燒即可進(jìn)行,不需要點(diǎn)火源來(lái)啟動(dòng)燃燒。缺點(diǎn):未能考慮分子輸運(yùn)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素的影響。常用于非預(yù)混火焰,但在預(yù)混火焰中,反應(yīng)物一進(jìn)入計(jì)算域就開(kāi)始燃燒,該模型計(jì)算的燃燒會(huì)出現(xiàn)超前性,故一般不單獨(dú)使用。當(dāng)初始化求解時(shí),Fluent設(shè)置產(chǎn)物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.01,通常足夠啟動(dòng)反應(yīng)。

1.4 Eddy-Dissipation Concept(EDC,渦-耗散-概念模型):假定化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在小渦中(精細(xì)渦),反應(yīng)時(shí)間由小渦生存時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)本身需要的時(shí)間共同控制。EDC模型能夠在湍流反應(yīng)中考慮詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。但是他們的數(shù)值積分計(jì)算開(kāi)銷很大。使用條件:只有在快速化學(xué)反應(yīng)假定無(wú)效的情況下才能使用這一模型(如快速熄滅火焰中緩慢的CO燒盡、選擇性非催化還原中的NO轉(zhuǎn)化問(wèn)題)。推薦使用雙精度求解器,避免反應(yīng)速率中指前因子和活化能產(chǎn)生的誤差。

上面四種有限速度模型總結(jié)如下:

二、Non-Premixed Combustion(非預(yù)混燃燒模型)

不求解每個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程,求解混合分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程和一個(gè)或兩個(gè)守恒標(biāo)量的方程,然后從預(yù)測(cè)的混合分?jǐn)?shù)公布推導(dǎo)出每一個(gè)組分的濃度。通過(guò)概率密度函數(shù)或PDF來(lái)考慮湍流的影響。反應(yīng)機(jī)理是使用flame sheet方法或者化學(xué)平衡計(jì)算來(lái)處理反應(yīng)系統(tǒng)。層流火焰面flamelet模型是非預(yù)混燃燒模型的擴(kuò)展,它考慮到了在化學(xué)平衡狀態(tài)下形成的空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)力誘導(dǎo)分離。

應(yīng)用:主要用于模擬湍流擴(kuò)散火焰的反應(yīng)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)要求接近化學(xué)平衡,氧化物和燃料以兩個(gè)或者三個(gè)進(jìn)口進(jìn)入計(jì)算域。

三、Premixed Combustion(預(yù)混燃燒模型)

主要用于單一、完全預(yù)先混合好的燃燒系統(tǒng)。反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物被火焰前沿分開(kāi)。求解出反應(yīng)發(fā)展變量來(lái)預(yù)測(cè)前沿位置。湍流的影響通過(guò)湍流火焰速度計(jì)算。

四、Partially Premixed Combustion(部分預(yù)混燃燒模型)

描述非預(yù)混燃燒和完全預(yù)混燃燒相結(jié)合的系統(tǒng)。幾何混合分?jǐn)?shù)方程和反應(yīng)物發(fā)展變量來(lái)分布確定組分濃度和火焰前沿位置。適用于計(jì)算域內(nèi)具有變化等值比率的預(yù)混火焰情況。通過(guò)求解混合分?jǐn)?shù)方程和反應(yīng)過(guò)程參數(shù)來(lái)確定火焰峰面的位置。

五、Composition PDF Transport(PDF運(yùn)輸方程模型)

結(jié)合CHEMKIN可以考慮詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,高度的非線性化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)是精確模擬,無(wú)須封閉模型,可以合理的模擬湍流和詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)之間的相互作用,是模擬湍流燃燒的精確模擬方法。但計(jì)算量特別大。

優(yōu)點(diǎn):可以計(jì)算中間組分,考慮分裂影響;考慮湍流-化學(xué)反應(yīng)之間的作用,無(wú)須求解組分運(yùn)輸方程。

缺點(diǎn):系統(tǒng)要滿足(靠近)局部平衡,不能用于可壓縮或非湍流流動(dòng),不能用于預(yù)混燃燒。