搜索一文深入了解Fluent中的所有燃烧模型
2019-09-16 by:CAE仿真在线 来源:互联网
Fluent软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型,适用于各种复杂情况下的燃烧问题,包括固体火箭发动机和液体火箭发动机中的燃烧过程、燃气轮机中的燃烧室、民用锅炉、工业熔炉及加热器等。燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之一。
Fluent可以模拟气相燃烧,也可以模拟分散相燃烧。其中气相燃烧在Species组分模型中选择和设置。分散相燃烧需要在DPM颗粒模型中选择和设置。
A、气相燃烧模型
在Fluent中,气相燃烧模型是在Species组分模型的中。
打开模型后,可以看到Fluent提供了5种燃烧仿真模型。
1.Species Transport(有限速度模型)
2.Non-Premixed Combustion(非预混燃烧模型)
3.Premixed Combustion(预混燃烧模型)
4.Partially Premixed Combustion(部分预混燃烧模型)
5.Composition PDF Transport(PDF运输方程模型)
其中,Species Transport(有限速度模型)无论在层流模型还是湍流模型下,都可以选择。剩下的四种燃烧模型,必须启动湍流模型才能选择。
一、Species Transport(有限速度模型)
Species Transport模型要仿真燃烧的话,必须勾选Reactions下面的Volumetric,如下图。同时,在面板的右侧出现了4个化学反应模型可选。
这种模型求解反应物和生成物输运组分方程,并由用户来定义化学反应机理。反应率作为源项在组分输运方程中通过阿累纽斯方程或涡耗散模型。有限速率模型应用范围最为广泛,可以模拟化学组分混合、运输和反应问题,壁面或粒子表面反应问题,也适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。
应用领域:该模型可以模拟大多数气相燃烧问题,在航空航天领域的燃烧计算中有广泛的应用。
该模型为最常用模型,其计算反应速度的方法Fluent提供了4种,见上图右下方。Laminar Finite-Rate(层流有限速率模型)、Finite-Rate/Eddy-Dissipation(有限速率/涡耗散模型)、Eddy-Dissipation(涡耗散模型)和Eddy-Dissipation Concept(EDC,涡-耗散-概念)。
1.1 Laminar Finite-Rate(层流有限速率模型):使用Arrhenius公式计算化学源项,忽略湍流脉动的影响。对于化学动力学控制的燃烧(如层流燃烧),或化学反应相对缓慢的湍流燃烧是准确的。但对一般湍流火焰中Arrhenius化学动力学的高度非线性一般不精确;对于化学反应相对缓慢、湍流脉动较小的燃烧(如超音速火焰)可能可以接受。
1.2 Finite-Rate/Eddy-Dissipation(有限速率/涡耗散模型):简单结合了Arrhenius公式和涡耗散方程。避免了Eddy-Dissipation模型出现的提前燃烧问题。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,涡速率一般小于Arrhenius速率。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。
1.3 Eddy-Dissipation(ED,涡耗散模型):大部分燃料快速燃烧,整体反应速率由湍流混合控制,突出湍流混合对燃烧速率的控制作用。复杂且常是未知的化学反应动力学速率可以完全的被忽略掉。化学反应速率由大尺度涡混合时间尺度k/e控制。只要k/e(湍流)> 0出现,燃烧即可进行,不需要点火源来启动燃烧。缺点:未能考虑分子输运和化学动力学因素的影响。常用于非预混火焰,但在预混火焰中,反应物一进入计算域就开始燃烧,该模型计算的燃烧会出现超前性,故一般不单独使用。当初始化求解时,Fluent设置产物的质量百分数为0.01,通常足够启动反应。
1.4 Eddy-Dissipation Concept(EDC,涡-耗散-概念模型):假定化学反应都发生在小涡中(精细涡),反应时间由小涡生存时间和化学反应本身需要的时间共同控制。EDC模型能够在湍流反应中考虑详细的化学反应机理。但是他们的数值积分计算开销很大。 使用条件:只有在快速化学反应假定无效的情况下才能使用这一模型(如快速熄灭火焰中缓慢的CO烧尽、选择性非催化还原中的NO转化问题)。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。
上面四种有限速度模型总结如下:
二、Non-Premixed Combustion(非预混燃烧模型)
不求解每个组分的质量分数输运方程,求解混合分数输运方程和一个或两个守恒标量的方程,然后从预测的混合分数公布推导出每一个组分的浓度。通过概率密度函数或PDF来考虑湍流的影响。反应机理是使用flame sheet方法或者化学平衡计算来处理反应系统。层流火焰面flamelet模型是非预混燃烧模型的扩展,它考虑到了在化学平衡状态下形成的空气动力学的应力诱导分离。
应用:主要用于模拟湍流扩散火焰的反应系统,这个系统要求接近化学平衡,氧化物和燃料以两个或者三个进口进入计算域。
三、Premixed Combustion(预混燃烧模型)
主要用于单一、完全预先混合好的燃烧系统。反应物和燃烧产物被火焰前沿分开。求解出反应发展变量来预测前沿位置。湍流的影响通过湍流火焰速度计算。
四、Partially Premixed Combustion(部分预混燃烧模型)
描述非预混燃烧和完全预混燃烧相结合的系统。几何混合分数方程和反应物发展变量来分布确定组分浓度和火焰前沿位置。适用于计算域内具有变化等值比率的预混火焰情况。通过求解混合分数方程和反应过程参数来确定火焰峰面的位置。
五、Composition PDF Transport(PDF运输方程模型)
结合CHEMKIN可以考虑详细的化学反应机理,高度的非线性化学反应项是精确模拟,无须封闭模型,可以合理的模拟湍流和详细化学反应动力学之间的相互作用,是模拟湍流燃烧的精确模拟方法。但计算量特别大。
优点:可以计算中间组分,考虑分裂影响;考虑湍流-化学反应之间的作用,无须求解组分运输方程。
缺点:系统要满足(靠近)局部平衡,不能用于可压缩或非湍流流动,不能用于预混燃烧。
B、分散相燃烧
FLUENT还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型:燃烧粒子,包括油滴的挥发过程和焦碳的燃烧。
需定义油滴在初始状态的位置、速度、尺寸和温度分布及油滴的物性,根据这些设置计算粒子的轨迹和传热/传质,并可以计算粒子与连续相的相互影响。
在DPM模型中启动燃烧模型的话,需要启动Species组分模型。
关于在Fluent中仿真燃烧的技巧请参考之前的文章《
FLUENT中燃烧模拟计算的步骤和原则
》
下面两个案例是之前发出来的关于燃烧的仿真案例,供参考练手。
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