搜索一文深入了解Fluent中的所有燃燒模型
2019-09-16 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
Fluent軟件中包含多種燃燒模型、輻射模型及與燃燒相關的湍流模型,適用于各種復雜情況下的燃燒問題,包括固體火箭發動機和液體火箭發動機中的燃燒過程、燃氣輪機中的燃燒室、民用鍋爐、工業熔爐及加熱器等。燃燒模型是FLUENT軟件優于其它CFD軟件的最主要的特征之一。
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置。分散相燃燒需要在DPM顆粒模型中選擇和設置。
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。
打開模型后,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(非預混燃燒模型)
3.Premixed Combustion(預混燃燒模型)
4.Partially Premixed Combustion(部分預混燃燒模型)
5.Composition PDF Transport(PDF運輸方程模型)
其中,Species Transport(有限速度模型)無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,在面板的右側出現了4個化學反應模型可選。
這種模型求解反應物和生成物輸運組分方程,并由用戶來定義化學反應機理。反應率作為源項在組分輸運方程中通過阿累紐斯方程或渦耗散模型。有限速率模型應用范圍最為廣泛,可以模擬化學組分混合、運輸和反應問題,壁面或粒子表面反應問題,也適用于預混燃燒、局部預混燃燒和非預混燃燒。
應用領域:該模型可以模擬大多數氣相燃燒問題,在航空航天領域的燃燒計算中有廣泛的應用。
該模型為最常用模型,其計算反應速度的方法Fluent提供了4種,見上圖右下方。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公式計算化學源項,忽略湍流脈動的影響。對于化學動力學控制的燃燒(如層流燃燒),或化學反應相對緩慢的湍流燃燒是準確的。但對一般湍流火焰中Arrhenius化學動力學的高度非線性一般不精確;對于化學反應相對緩慢、湍流脈動較小的燃燒(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):簡單結合了Arrhenius公式和渦耗散方程。避免了Eddy-Dissipation模型出現的提前燃燒問題。Arrhenius速率作為動力學開關,阻止反應發生在火焰穩定器之前。點燃后,渦速率一般小于Arrhenius速率。優點:結合了動力學因素和湍流因素;缺點:只能用于單步或雙步反應。
1.3 Eddy-Dissipation(ED,渦耗散模型):大部分燃料快速燃燒,整體反應速率由湍流混合控制,突出湍流混合對燃燒速率的控制作用。復雜且常是未知的化學反應動力學速率可以完全的被忽略掉。化學反應速率由大尺度渦混合時間尺度k/e控制。只要k/e(湍流)> 0出現,燃燒即可進行,不需要點火源來啟動燃燒。缺點:未能考慮分子輸運和化學動力學因素的影響。常用于非預混火焰,但在預混火焰中,反應物一進入計算域就開始燃燒,該模型計算的燃燒會出現超前性,故一般不單獨使用。當初始化求解時,Fluent設置產物的質量百分數為0.01,通常足夠啟動反應。
1.4 Eddy-Dissipation Concept(EDC,渦-耗散-概念模型):假定化學反應都發生在小渦中(精細渦),反應時間由小渦生存時間和化學反應本身需要的時間共同控制。EDC模型能夠在湍流反應中考慮詳細的化學反應機理。但是他們的數值積分計算開銷很大。 使用條件:只有在快速化學反應假定無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轉化問題)。推薦使用雙精度求解器,避免反應速率中指前因子和活化能產生的誤差。
上面四種有限速度模型總結如下:
二、Non-Premixed Combustion(非預混燃燒模型)
不求解每個組分的質量分數輸運方程,求解混合分數輸運方程和一個或兩個守恒標量的方程,然后從預測的混合分數公布推導出每一個組分的濃度。通過概率密度函數或PDF來考慮湍流的影響。反應機理是使用flame sheet方法或者化學平衡計算來處理反應系統。層流火焰面flamelet模型是非預混燃燒模型的擴展,它考慮到了在化學平衡狀態下形成的空氣動力學的應力誘導分離。
應用:主要用于模擬湍流擴散火焰的反應系統,這個系統要求接近化學平衡,氧化物和燃料以兩個或者三個進口進入計算域。
三、Premixed Combustion(預混燃燒模型)
主要用于單一、完全預先混合好的燃燒系統。反應物和燃燒產物被火焰前沿分開。求解出反應發展變量來預測前沿位置。湍流的影響通過湍流火焰速度計算。
四、Partially Premixed Combustion(部分預混燃燒模型)
描述非預混燃燒和完全預混燃燒相結合的系統。幾何混合分數方程和反應物發展變量來分布確定組分濃度和火焰前沿位置。適用于計算域內具有變化等值比率的預混火焰情況。通過求解混合分數方程和反應過程參數來確定火焰峰面的位置。
五、Composition PDF Transport(PDF運輸方程模型)
結合CHEMKIN可以考慮詳細的化學反應機理,高度的非線性化學反應項是精確模擬,無須封閉模型,可以合理的模擬湍流和詳細化學反應動力學之間的相互作用,是模擬湍流燃燒的精確模擬方法。但計算量特別大。
優點:可以計算中間組分,考慮分裂影響;考慮湍流-化學反應之間的作用,無須求解組分運輸方程。
缺點:系統要滿足(靠近)局部平衡,不能用于可壓縮或非湍流流動,不能用于預混燃燒。
B、分散相燃燒
FLUENT還提供了模擬分散相燃燒問題(液體燃料燃燒、噴射燃燒、固體顆粒燃燒等)的燃燒模型:燃燒粒子,包括油滴的揮發過程和焦碳的燃燒。
需定義油滴在初始狀態的位置、速度、尺寸和溫度分布及油滴的物性,根據這些設置計算粒子的軌跡和傳熱/傳質,并可以計算粒子與連續相的相互影響。
在DPM模型中啟動燃燒模型的話,需要啟動Species組分模型。
關于在Fluent中仿真燃燒的技巧請參考之前的文章《
FLUENT中燃燒模擬計算的步驟和原則
》
下面兩個案例是之前發出來的關于燃燒的仿真案例,供參考練手。
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