非预混燃烧模拟综述

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1、Fluent中非预混燃烧模拟 主讲:尹敦兵 燃烧 强烈的放热和发光的快速化学反应过程称为燃烧。 燃烧过程是综合的物理与化学相互作用的过程，是质量，动量 以及能量交换的过程。燃烧现象包含流体流动，传热，传质和 化学反应以及他们之间的相互作用。 控制燃烧过程的基本方程组有：混合物质量守恒方程，组分质 量守恒方程，动量守恒方程以及能量守恒方程等。 燃烧根据燃料和氧化剂是否预先混合可以分为：预混燃烧和非 预混燃烧 非预混燃烧 燃料和氧化剂以相异流进入反应区， 即以不同的输入途径流 入反应区的燃烧，称为非预混燃烧，此时，燃烧和混合几乎是 同时发生的。 一. 初步介绍 n基础：在一系列简化假设下，流体的瞬

2、时热化学状态与守 恒量混合分数f相关。 n方法：解一或两个守恒量（如混合分数）的输运方程。 n对象：用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰。 模拟非预混燃烧方法简介 二. 典型系统结构 非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的 研究。非预混模型允许预测中间（基本）组分、溶解效应和严格的紊流 化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。 下面几幅图为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统结构。 A.能用单一混合分数模拟的化学反应系统 a.简单燃料氧化剂扩散火焰 c.用多燃料入口的系统 b.用多氧化剂入口的扩散系统 B.能用二混合分数模拟的化学反应

3、系统结构 a.包含两个不同燃料入口系统 b.包含两种不同氧化剂入口的系统 n流动是湍流。 n化学动力学必须迅速以使流动接近化学平衡。 n化学反应系统必须是有分离的燃料和氧化剂入口的扩散类型（喷雾（喷射 ）燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类）。 n所有组分和焓的扩散系数相等。是对湍流的良好的近似。 n当使用单一混合分数时，必须遵守如下条件 ： （1）仅含一种类型的燃料。燃料可由反应组分（例如，90的CH4和10的 CO）的一种燃烧混合物组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必须有同样 的成分。不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口为CH4 ，一个入口为CO）。类似的，在喷雾燃烧系统

4、或包含反应粒子的系统中，仅允许 有一种废气。 （2）仅含一种氧化剂。氧化剂可包括一种组分混合物（如，21O2，79N2 ），可以有多个氧化剂入口。然而，多氧化剂入口必须包含相同的成分。不允许 有两个及以上有不同成分的氧化剂入口（如，一个入口为空气，第二而入口为纯 氧气入口）。 三. 非预混模拟方法的限制和特别反应类型 special cases and Restrictions on the Mixture Fraction Approach 非预混方法仅能用于当反应流动系统满足以下要求时： A.限制 当使用两个混合分数时，系统中可包含三个流。下面是有效的系统： （1）有两个不同组成的燃料流和

5、一个氧化剂流。每一个燃料流可由 一种反应组分混合物组成（例如，90的CH4和10的CO）。可包 括每一种燃料流的多入口，但是每一个燃料流入口必须有两种定义的 成分中的一种（如，一个入口为CH4 ，一个入口为CO）。 （2）包括气液，气煤，或者液煤燃料混合物和一种氧化剂的 混合燃料系统。在拥有气煤或液煤燃料混合物的系统中，煤挥发 物和焦炭作为一种单一成分燃料流来对待。 （3）分别对待煤燃烧中的挥发物和焦炭的系统。 （4）含有不同成分的两种氧化剂流和一种燃料流。每一氧化剂流可 由一种多组份的混合物组成（例如，21O2，79N2）。每一种 氧化剂可以有多入口，但是，每一个氧化剂入口必须含有两种定义成

6、 分中的一种（例如，一个入口为空气，第二个入口为纯氧气）。 （5）一个燃料流，一个氧化剂流和一种非反应次要流。 注意：非预混模型仅能由分离求解器求解，不支持耦合求解器求解。 图示为不能用非预混模型模拟的预混结构 B.特别反应类型 a.液体燃料或煤燃烧的非预混模型 如果在模拟中包括小液滴或煤颗粒，可以应用非预混模型。 在液体情况下，以求解域里蒸发的液体燃料作为一个燃料混合分数。 在为煤的情况下，挥发物和焦炭产物可被定义为两种不同的燃料类型 （用两个混合分数）或这定义为单一废气成分（用一个混合分数）， b.带有废气循环的非预混模型 非预混模型解决的多数问题只包含纯氧化剂和纯燃料（f=0或f=1）的

7、 入口，当有废气循环时，情况发生变化。有一个混合分数中间值（0f1） 入口，这个入口代表一个完全的反应的混合物，并提供混合分数中间值。 由于f为一个守恒量，废气循环入口处的混合分数可计算作 或 式中：fexit为出口混合分数（和废气循环入口处的混合分数）， 为氧化 剂入口的质量流量速率， 为燃料入口的质量流量速率， 为循环入 口的质量流量速率。 (30) (31) 如果包括次要流，则为 带有废气循环的非预混模拟示意图 (32) (33) 四.非预混模拟方法的具体细节 n混合分数及与其相关的量与式 n描述系统化学反应的模型 n湍流化学反应相互作用的PDF模拟 n非预混模型的非绝热拓展 （一）（一

8、）混合分数及与其相关的量与式混合分数及与其相关的量与式 混合分数定义 Denition of the Mixture Fraction： 混合分数就是在所有组分（CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧 的燃料流里的元素（C、H等）的局部质量分数。即来源于燃料流的元 素质量分数，这个质量分数包括所有来自燃料流的元素，包括惰性组 分，N2，也包括与燃料混合的氧化性组分，如O2。 这个值是守恒的。混合分数可根据原子质量分数写为： 式中：Zi元素i的元素质量分数。下标ox表示氧化剂流入口处的值， fuel表示燃料流入口处的值。 (1) 在有次要流（secondary stream）参与的流动中，燃料

9、和次要流混合 分数简化为燃料和次要流的质量分数，系统中fuel, secondary stream, and oxidizer这三种质量分数的和总是等于1： 这表明在混合分数空间中只有在平面ABC（见图1）上的点有效。因此，这两个 混合分数，ffuel和fsec不能独立变化；他们的值仅在如果他们位于图1所示三角 形OBC里面时才有效。 (2) FLUENT离散三角形OBC如图所示。本来对于单一混合分数情形，原 始混合分数ffuel允许在0到1之间变化，而对次要混合分数，当其位于 线上时，根据下列方程确定fsec： 式中：psec标准次要混合分数，为直线与次要混合分数轴交叉点处的值。 图14.1

10、.2 ffuel, fsec, and psec之间的关系 与fsec不同的是，psec的取值限制在0到1之间，与ffuel的值无关 (3) 混合分数的输运方程 Transport Equations for the Mixture Fraction 对于湍流而言，因其紊态对流远远超过分子扩散，所以在相同扩散率的对于湍流而言，因其紊态对流远远超过分子扩散，所以在相同扩散率的 假设下，组分方程可被减少为一个单一的关于混合组分假设下，组分方程可被减少为一个单一的关于混合组分f f的方程。的方程。 a. 平均（时间平均）混合分数方程为： 源项Sm仅指质量由液体燃料滴或反应颗粒（如煤）传入气相中。 S

11、user为任何用户定义源项。 (4) b. 关于平均混合分数均方值值 的守恒方程 式中： 常数 、Cg和Cd分别别取0.85，2.86和2.0，Suser为为用户户定义义源项项。 混合分数均方值用在描述紊流化学反应的封闭模型中 (5) c. 对于一个二混合分数问题，用 和和 分别代替方程分别代替方程a a和和b b中的中的 和和 得到 和 。因此用方程 可计算 用 代替代替 ，解方程，解方程 b b 可得到可得到 。根据次流的总量与总 根据次流的总量与总 质量流率相比相对要小这一事实质量流率相比相对要小这一事实，用 而不是 解方程证明是解方程证明是 对的。对的。 大涡模拟（LES）非预混模型

12、The NonPremixed Model for LES a. 对大涡模拟（LES），解一个关于平均混合分数的方程，该方程除了 为次网格尺度粘度以外，形式上与方程 (4) 相同 b. 混合分数均方值 式中：Cvar用户可调节常数；Lsgs次网格尺度。 (6) 考虑一个简单的燃烧系统，包括一种燃料流（考虑一个简单的燃烧系统，包括一种燃料流（F F），一种氧化剂流（），一种氧化剂流（OO）和一种产）和一种产 物流（物流（P P），在化学当量比条件下，用符号表示为：），在化学当量比条件下，用符号表示为： 混合分数与平衡比的关系 Mixture Fraction vs. Equivalence Ra

13、tio 式中r为质量基础上的空气燃料比。将平衡比表示为，式中 (7) (8) 在多数普通混合条件下，简单的燃烧系统简单的燃烧系统方程可被写成： 观察方程的左边，系统作为一个整体的混合分数可被推得为： 这是一个非常重要的结果，允许在化学当量条件下 （ ）或者在富燃料）或者在富燃料 条件下条件下 （例如例如 ）计算混合分数计算混合分数 (9) (10) f与组分质量分数、密度及温度之间的关系 Relationship of f to Species Mass Fraction, Density, and Temperature a.绝热反应系统 单一的燃料氧化剂系统，质量分数、密度 和温度的瞬时值

14、仅依赖于瞬时混合分数f： 包括一个次要流，瞬时值将依赖于瞬时燃料 混合分数ffuel和次要部分分数psec： 代表瞬时组 分质量分数、密度或温度 (11) (12) a. 非绝热反应系统 对于单一混合分数系统，这种关系概括为： 包括一个次要流的情况 式中H*为瞬时焓 (13) (15) (14) （二）描述系统化学反应的模型 Models Describing the System ChemistryModels Describing the System Chemistry A. 火焰面近似值the flame sheet approximation （混合的就是燃烧的，mixedisbur

15、ned）： 最简单的反应类型,这种方法假设化学反应无限快，不可逆， 燃料和氧化剂组分在空间中永远不共存，并且一步完全转化 为最终产物。这种描述允许组分质量分数用给定的反应化学 当量直接确定，而不需要反应率或者化学平衡信息。这种简 单的系统描述的组分质量分数和混合分数之间服从直线关系， 如图 应用火焰面近似值得到 的组分质量分数和焓 由于不需要反应率或者平衡计算，火焰面近似值可以很容易地并且快速的 计算出。然而，火焰面近似值模型受限于一步反应的预测，不能预测中间 组分形成或离解效应。这经常会导致严重过高预测火焰峰值温度，特别是 那些涉及高温的系统（例如，预热或者富氧）。 B. 平衡假设Equil

16、ibrium Assumption：平衡模型假设化学反应足够迅速 以使化学平衡总保持在分子水平上。根据最小吉布斯自由能法则，可由f 来计 B. 算组分摩尔分数。图显示甲烷在空气中的燃烧中一个包括10种组分的反应系 C. 统的摩尔分数。 由于其能预测中间组份的生成以及不需 要详细的化学动力学比率数据的知识， 因此平衡模型很有效。FLUENT会根 据化学平衡预测每一种组分的摩尔分数 。 FLUENT允许对那些瞬时混合分数低于指定富限frich以下的情况限制 完全平衡计算。在富燃料区域（如，平衡比大于1.5），当瞬时混合分 数超过frich，FLUENT就假定燃烧反应熄灭，未燃燃料与已反应物质 共存。在这种富燃料区域内，在已知混合分数值下的组分，由限制混合 （f=frich）和已知化学当量的燃料入口流（f=1）组成计算。化学当 量既