Fluent模擬燃氣輪機燃燒室

1、燃氣輪機燃燒室的數(shù)值模擬中國科學(xué)院工程熱物理研究所2007.4什么是什么是CFD ?CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學(xué)）的簡稱。其基本原理是數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。 CFD就是利用計算機技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)發(fā)展而來的，相當于“虛擬”地在計算機做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況，它是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。fluent軟件包介紹nFLUENT通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。n采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達

2、到良好的收斂速度和求解精度。n靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機械等方面有廣泛應(yīng)用。 FLUENT程序軟件包包括以下幾個部分uGAMBIT，網(wǎng)格生成uFLUENT解算器 uprePDF，用于模擬PDF燃燒過程 u TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 uFilters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, PATRAN等。 FLUENT計算過程FLUENT計算步驟n1， 確定幾何形狀，生成計算網(wǎng)

3、格（用GAMBIT，也可以讀入其它指定程序生成的網(wǎng)格） n2， 選擇2D或3D來模擬計算 n3， 輸入網(wǎng)格 n4， 檢查網(wǎng)格 n5， 選擇解法器 n6， 選擇求解的方程：層流或湍流（或無粘流），化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。確定其它需要的模型如：風扇、熱交換器、多孔介質(zhì)等模型。 n7， 確定流體物性 n8， 指定邊界條件 n9， 條件計算控制參數(shù) n10， 流場初始化 n11， 計算 n12， 檢查結(jié)果 n13， 保存結(jié)果，后處理等。 Gambit軟件的初始化打開gambit選擇求解器正對求解器選擇不同的邊界條件定義器建立幾何模型n利用gambit軟件結(jié)合普通CAD軟件生成幾何模型。nGam

4、bit中的圖形實體為整個計算區(qū)域。網(wǎng)格生成Gambit提供在三維計算中提供六面體、楔形、四面體、棱柱體四種可供選擇的網(wǎng)格單元。在這四種網(wǎng)格單元中，四面體對幾何形狀的適應(yīng)性最強，同時也最為消耗計算資源，在這里選擇四面體網(wǎng)格。邊界條件的定義邊界條件的定義Specify TypeSpecify Typen選擇邊界對應(yīng)的幾何體n選擇邊界的類型.n鼠標直接選取.n對定義好的邊界可以再操作n更改、刪除.輸出網(wǎng)格將網(wǎng)格文件讀入fluent將網(wǎng)格數(shù)據(jù)讀入fluent檢查網(wǎng)格，保證單元網(wǎng)格沒有負體積出現(xiàn)確定網(wǎng)格的幾何尺寸以及各參數(shù)的單位。定義解算器n對于低速問題，通常選用基于壓力耦合的隱式求解器。湍流模型的定義

5、nFluent中提供了多種湍流模型可供選擇，包括：單方程（Spalart-Allmaras）模型、雙方程模型、雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬。 n在這里選擇標準-模型組分模型的定義nFluent中提供了多種組分模型可供選擇。n在這里，由于液滴參與燃燒，因此采用非預(yù)混模型。n電機確定后提示輸入pdf文件，導(dǎo)入pdf文件后系統(tǒng)各組分材料自動導(dǎo)入。非預(yù)混模擬方法簡介非預(yù)混模擬方法已被明確用于模擬進行快速化學(xué)反應(yīng)的紊態(tài)擴散火焰的研究。非預(yù)混模型允許預(yù)測中間（基本）組分、溶解效應(yīng)和嚴格的紊流化學(xué)耦合。因為不需要解大量的組分輸運方程，該方法在計算上很有效。下面幾幅圖為FLUENT中能用非預(yù)混模型處理的典型反應(yīng)系統(tǒng)

6、結(jié)構(gòu)。 A.能用單一混合分數(shù)模擬的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)能用單一混合分數(shù)模擬的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng) 簡單燃料氧化劑擴散火焰c.用多燃料入口的系統(tǒng)b.用多氧化劑入口的擴散系統(tǒng)B.能用二混合分數(shù)模擬的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能用二混合分數(shù)模擬的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 包含兩個不同燃料入口系統(tǒng)b.包含兩種不同氧化劑入口的系統(tǒng)n流動是湍流。n化學(xué)動力學(xué)必須迅速以使流動接近化學(xué)平衡。n化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)必須是有分離的燃料和氧化劑入口的擴散類型（噴霧（噴射）燃燒和粉碎燃料火焰也可屬此類）。n所有組分和焓的擴散系數(shù)相等。是對湍流的良好的近似。n當使用單一混合分數(shù)時，必須遵守如下條件 ： （1）僅含一種類型的燃料。燃料可由反應(yīng)組分（例如，90的C

7、H4和10的CO）的一種燃燒混合物組成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必須有同樣的成分。不允許有兩個以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一個入口為CH4，一個入口為CO）。類似的，在噴霧燃燒系統(tǒng)或包含反應(yīng)粒子的系統(tǒng)中，僅允許有一種廢氣。 （2）僅含一種氧化劑。氧化劑可包括一種組分混合物（如，21O2，79N2），可以有多個氧化劑入口。然而，多氧化劑入口必須包含相同的成分。不允許有兩個及以上有不同成分的氧化劑入口（如，一個入口為空氣，第二而入口為純氧氣入口）。 三三. 非預(yù)混模擬方法的限制和特別反應(yīng)類型非預(yù)混模擬方法的限制和特別反應(yīng)類型 special cases and Restricti

8、ons on the Mixture Fraction Approach非預(yù)混方法僅能用于當反應(yīng)流動系統(tǒng)滿足以下要求時：A.限制限制 當使用兩個混合分數(shù)時，系統(tǒng)中可包含三個流。下面是有效的系統(tǒng)： （1）有兩個不同組成的燃料流和一個氧化劑流。每一個燃料流可由一種反應(yīng)組分混合物組成（例如，90的CH4和10的CO）?？砂恳环N燃料流的多入口，但是每一個燃料流入口必須有兩種定義的成分中的一種（如，一個入口為CH4-，一個入口為CO）。 （2）包括氣液，氣煤，或者液煤燃料混合物和一種氧化劑的 混合燃料系統(tǒng)。在擁有氣煤或液煤燃料混合物的系統(tǒng)中，煤揮發(fā)物和焦炭作為一種單一成分燃料流來對待。 （3）分別對

9、待煤燃燒中的揮發(fā)物和焦炭的系統(tǒng)。 （4）含有不同成分的兩種氧化劑流和一種燃料流。每一氧化劑流可由一種多組份的混合物組成（例如，21O2，79N2）。每一種氧化劑可以有多入口，但是，每一個氧化劑入口必須含有兩種定義成分中的一種（例如，一個入口為空氣，第二個入口為純氧氣）。 （5）一個燃料流，一個氧化劑流和一種非反應(yīng)次要流。 注意：非預(yù)混模型僅能由分離求解器求解，不支持耦合求解器求解。注意：非預(yù)混模型僅能由分離求解器求解，不支持耦合求解器求解。 B.特別反應(yīng)類型特別反應(yīng)類型a.液體燃料或煤燃燒的非預(yù)混模型 如果在模擬中包括小液滴或煤顆粒，可以應(yīng)用非預(yù)混模型。 在液體情況下，以求解域里蒸發(fā)的液體燃料

10、作為一個燃料混合分數(shù)。 在為煤的情況下，揮發(fā)物和焦炭產(chǎn)物可被定義為兩種不同的燃料類型 （用兩個混合分數(shù)）或這定義為單一廢氣成分（用一個混合分數(shù)）， b.帶有廢氣循環(huán)的非預(yù)混模型 非預(yù)混模型解決的多數(shù)問題只包含純氧化劑和純?nèi)剂希╢=0或f=1）的入口，當有廢氣循環(huán)時，情況發(fā)生變化。有一個混合分數(shù)中間值（0f程序Fluent Inc PrePDF4.02（對 FLUENT6.0 版），則進入 PrePDF 環(huán)境。 n（2）Allocate Memory首先為計算的問題設(shè)置數(shù)組空間和分配內(nèi)存等，如下：SetupMemory Allocation 根據(jù)所要計算的問題進行設(shè)置 n根據(jù)計算問題設(shè)置nset

11、upCasen若在 Chemistry models 中選擇 Laminar Flamelets定義要考慮的化學(xué)組分 nSetupSpecies定義燃料和氧化劑的初始組分 nSetupSpeciesComposition定義Operating Conditions及化學(xué)計量系數(shù)定義創(chuàng)建的PDF表中所用的參數(shù) 輸出pdf文件n將輸入保存到文件中nFileWriteInputn計算并生成PDF表nCalculate PDF Tablen將PDF表保存到文件中nFile Write PDF基本的邊界類型n外部面n一般一般: Pressure inlet, Pressure outletn不可壓不可壓

12、: Velocity inlet, Outflown可壓可壓: Mass flow inlet, Pressure far-fieldn特殊特殊: Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fann其它其它: Wall, Symmetry, Periodic, Axisn單元、區(qū)域nFluid and Solidn相交面nFan, Interior, Porous Jump, Radiator, WallsinletoutletwallinteriorOrifice_plate and orifice_plate-shadow重新定義邊界條件n一

13、般邊界條件在預(yù)處理軟件中定義.n可以在Fluent中更改:Define Boundary Conditions.n選擇要更改的幾何體n從Type中選擇新的類型.給定邊界條件參數(shù)n在 BC panels中直接賦值.n給選定的邊界設(shè)定:n從Zone菜單中選擇邊界.n點擊Set按鈕n利用Copy按鈕可以復(fù)制邊界條件.n邊界條件的內(nèi)容可以存盤， 也可以讀入.nfile write-bc and file readn利用 UDFs and Profiles可以 定義復(fù)雜的邊界條件Velocity Inletn定義類型:nMagnitude, Normal to BoundarynComponentsnM

14、agnitude and Directionn默認值為均勻流動n適用于 incompressible flows.nStatic pressure 相應(yīng)分布.nTotal pressure 同樣n用于 compressible flows 將有可能導(dǎo)致非物理解.n速度設(shè)定為負值時，可以用來表示出口.n但是必須要保證流量平衡.Pressure Inlet (1)n參數(shù)確定:nTotal Gauge Pressuren驅(qū)使流體運動的能量.nStatic Gauge Pressuren超音速流動時靜壓; n亞音速時忽略n從該邊界初始化時有用nTotal Temperaturen對于不可壓流作為靜溫.

15、nInlet Flow Direction21(1)2totalstatickTTM2/(1),1(1)2kktotal absstatic abskppM221vppstatictotalIncompressible flows:Compressible flows:Pressure Inlet (2)n注意的是 Gauge pressure 必須給定. nOperating pressure 定義: Define Operating Conditionsn同時適用 compressible 和 incompressible flows.nFluent 計算時采用 static pressu

16、re and velocity n通過壓力面的通量由內(nèi)部條件和流動方向決定.n 可以被用作模擬“Free”面.operatinggaugeabsolutepppMass Flow Inletn參數(shù)確定:n(a) Mass Flow Rate or (b) Mass Fluxn(a) 給定恒定的流量n(b) 利用 profiles/UDF定義nStatic Gauge Pressuren超音速有效n該邊界初始化有效.nTotal Temperaturen對于不可壓流動為靜溫.nInlet Flow Directionn一般用于 compressible; 也可用于 incompressible

17、flows.nTotal pressure 由輸入變量求得.n和 pressure inlet相比.收斂性差Pressure Outletn給定 static gauge pressuren作為出口處的環(huán)境壓力.n可以定義徑向的壓力分布.nBackflown收斂過程出現(xiàn)n最終結(jié)果如此.n方向是垂直于邊界.n適用于 compressible 和 incompressible flowsn在超音速條件下，忽略所給定的壓力值.n可以被用來模擬自由流.Outflown不需指定任何速度和壓力信息.n由內(nèi)部區(qū)域來傳遞信息.n邊界上保持流量平衡.n在Outflow面上所有參數(shù)梯度為零n近似于充分發(fā)展流n適用

18、于 incompressible flows.n不能和 Pressure Inlet合用; 入口只能是 velocity inlet.n不能用來模擬密度隨時間變化的問題.n當存在回流時，很難收斂n不能模擬最終結(jié)果存在回流的物理問題.其它的邊界條件nPressure Far Fieldn模擬 ideal gas law下的流動.n通常給定 free-stream Mach number 和靜態(tài)參數(shù) .nExhaust Fan/Outlet Ventn給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)nInlet Vent/Intake Fann模擬風扇運動.n給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)Wall Boundariesn速度：無滑移n切向速度和固壁面速度相等.n法向速度為零n可以定義壁面剪切力.n熱邊界:n幾種不同的條件n包括定義壁面厚度.n定義運動