第三章仿真有限速率燃燒模型

第三章仿真有限速率燃燒模型第1頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有限速率模型概述用總包機(jī)理反應(yīng)描述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程.求解化學(xué)組分輸運(yùn)方程，反應(yīng)速率以源項(xiàng)形式出現(xiàn)：組分j的源項(xiàng)(產(chǎn)生或消耗）是機(jī)理中所有k個(gè)反應(yīng)的凈反應(yīng)速率:

Rjk

：第k個(gè)化學(xué)反應(yīng)生成或消耗的j組分。（根據(jù)Arrhenius速率公式、漩渦耗散等理論進(jìn)行計(jì)算）.

第2頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、層流有限速率模型特點(diǎn)：使用Arrhenius公式計(jì)算反應(yīng)速率作為源項(xiàng)，忽略湍流脈動(dòng)的影響。使用范圍：反應(yīng)緩慢、湍流脈動(dòng)較小的燃燒。E:反應(yīng)活化能CA、CB：反應(yīng)物濃度a、b：化學(xué)反應(yīng)計(jì)量數(shù)K0：指前因子Arrhenius化學(xué)動(dòng)力學(xué)的高度非線性性，模擬結(jié)果一般不精確！第3頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三種特殊情況1、有逆向反應(yīng)反應(yīng)速率公式反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量數(shù)反應(yīng)r中生成物i的化學(xué)計(jì)量數(shù)反應(yīng)r的正向速率常數(shù)反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量數(shù)反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的正向反應(yīng)速度指數(shù)反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的逆向反應(yīng)速度指數(shù)第4頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三種特殊情況2、第三體的影響3、壓力獨(dú)立反應(yīng)

反應(yīng)發(fā)生在高壓和低壓限制之間，不僅僅依賴于溫度。第5頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇模型2、定義材料第6頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關(guān)設(shè)置3、定義化學(xué)反應(yīng)特殊情況指前因子和活化能化學(xué)反應(yīng)式使用不多，不做舉例介紹第7頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關(guān)設(shè)置4、設(shè)置點(diǎn)火區(qū)域Solve-initiaze-patch第8頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、渦耗散模型快速燃燒假設(shè)：化學(xué)反應(yīng)速率與湍流混合（擴(kuò)散）速率相比無(wú)窮快，即湍流燃燒過(guò)程由燃料和氧化劑的混合過(guò)程控制。整體反應(yīng)速率由湍流混合控制；Damkohiler數(shù)：第9頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型概述非預(yù)混火焰中：湍流“緩慢地”通過(guò)對(duì)流作用，使燃料和氧化劑進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)快速地燃燒；非預(yù)混火焰中：湍流作用使冷的反應(yīng)物和熱的生成物進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)快速地燃燒；燃料和氧化劑進(jìn)入反應(yīng)區(qū)快速地發(fā)生反應(yīng)，燃燒成為混合限制的，即擴(kuò)散控制的燃燒；忽略了復(fù)雜、未知的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率；第10頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型概述假設(shè)：認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率取決于未燃?xì)怏w微團(tuán)在湍流作用下破碎成更小微團(tuán)的速率；公式：特征：突出了湍流混合對(duì)燃燒速率的控制作用；缺點(diǎn)：未考慮分子輸運(yùn)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素的影響，過(guò)于粗糙。第11頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型理論YP：產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)YR：反應(yīng)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)A、B：經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，A=4.0，B=0.5；

反應(yīng)速率計(jì)算（取較小者）反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量數(shù)反應(yīng)r中生成物i的化學(xué)計(jì)量數(shù)控制反應(yīng)速率第12頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型理論反應(yīng)速率由大渦混合時(shí)間尺度控制，只要出現(xiàn)>0的情況，燃燒即可進(jìn)行，故不需要點(diǎn)火源；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)算區(qū)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。第13頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關(guān)設(shè)置1、選擇能量方程和湍流模型2、選擇渦耗散模型第14頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關(guān)設(shè)置3、在設(shè)置材料處產(chǎn)看相關(guān)反應(yīng)反應(yīng)速率由大渦混合時(shí)間尺度控制，不需要設(shè)置點(diǎn)火源。第15頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一FLUENT相關(guān)設(shè)置4、初始化時(shí)設(shè)置產(chǎn)物質(zhì)量比例為0.01，用于啟動(dòng)反應(yīng)。第16頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型的使用適用條件：湍流（高Re數(shù)），快速化學(xué)反應(yīng)（高Da數(shù)），預(yù)混、非預(yù)混、部分預(yù)混；案例：氣體反應(yīng)、煤燃燒；限制條件：（1）混合時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間相似時(shí)不可靠；（2）沒(méi)有從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度去控制中間物質(zhì)；（3）不能模擬點(diǎn)燃、熄滅等動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)現(xiàn)象。第17頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一渦耗散模型舉例燃?xì)馊肟邳c(diǎn)火燃燒：150m/s煙氣出口物理模型第18頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)例演練二、渦耗散模型模型及邊界條件功率：16kw,天然氣作為燃料；模型：渦破碎燃燒模型（EDC），

離散坐標(biāo)輻射模型（DO）；管壁：601合金，3mm厚，發(fā)射率0.85；爐溫：950℃空氣預(yù)熱溫度：627℃排煙壓力：-500pa第19頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、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。避免預(yù)混燃燒中，ED模型出現(xiàn)的提前燃燒問(wèn)題。第20頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有限速率/渦耗散模型同時(shí)計(jì)算Arrhenius公式和渦耗散方程；凈反應(yīng)速率取兩個(gè)速率中的較小值。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，渦耗散速率一般小于Arrhenius速率。第21頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有限速率/渦耗散模型優(yōu)缺點(diǎn)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）多步反應(yīng)機(jī)理基于Arrhenius速率，每個(gè)反應(yīng)的都不一樣；（2）渦耗散模型中，每個(gè)反應(yīng)都有同樣的湍流速率；（3）不能預(yù)測(cè)化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的物質(zhì)，如活性物質(zhì)。第22頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、渦耗散概念模型Eddy-DissipationConcept第23頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一EDC模型理論是渦耗散模型的擴(kuò)展，在湍流流動(dòng)中包括了詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，假定化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在小渦當(dāng)中，反應(yīng)時(shí)間由小渦的生存時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)本社所需要的時(shí)間來(lái)共同控制；小渦的尺度由下式計(jì)算：認(rèn)為物質(zhì)在這個(gè)尺度中，反應(yīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間尺度：容積比率常數(shù)，=2.1377時(shí)間尺度常數(shù)，=0.4082第24頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一EDC模型理論FLUENT中，小渦的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在等條件下，初始條件為單元中當(dāng)前的組分和溫度，速率計(jì)算采用Arrhenius公式，采用數(shù)值積分的方法來(lái)計(jì)算經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間后的反應(yīng)物狀態(tài)。源項(xiàng)計(jì)算公式：組分守恒方程第25頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一EDC模型特點(diǎn)湍流反應(yīng)中考慮了詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；數(shù)值積分計(jì)算開(kāi)銷很大，計(jì)算速度較慢；在快速化學(xué)反應(yīng)假定無(wú)效的情況下使用該模型，即低Da數(shù)，如快速熄滅火焰中中CO緩慢燃燒、NOx的生成等；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。第26頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期一EDC模型的使用適用條件：湍流，低Da數(shù)，預(yù)混、非預(yù)混和部分預(yù)混燃燒；案例：（1）湍流反應(yīng)中的預(yù)混合有限比例現(xiàn)象；（2）CO的緩慢燃燒；（3）NOx的形成.限制條件：占用CPU資源較多，默認(rèn)使用ISAT算法加速第27頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星