燃燒數值模擬高級教程課件

燃燒數值模擬高級教程高效清潔能源課題組燃燒數值模擬高級教程高效清潔能源課題組燃燒模型介紹燃燒模型的應用Fluent6性能概述燃燒模擬的網格劃分動力學與湍流化學相互作用因次分析燃燒模型介紹燃燒模型的應用燃燒模型應用廣泛應用與均相和非均相燃燒過程模擬燃燒爐鍋爐加熱器燃氣輪機火箭發(fā)動機求解內容流場流動特性及其混合特性溫度場組分濃度場顆粒和污染物排放燃氣爐內溫度分布流量分布CO2

質量分布燃燒模型應用廣泛應用與均相和非均相燃燒過程模擬燃氣爐內溫度分燃燒模型概述Fluent6為燃燒模擬提供了一系列廣泛的物理模型基于區(qū)域定義的體積和表面反應機制在不同的流動區(qū)域里反應可以開始或者停止在不同的流動區(qū)域可以有不同的反應機制Fluent6提供了極大的網格靈活性，Gambit2易于生成混合網格新增的特殊功能包括：材料數據庫魯棒性和精確求解燃燒模型概述Fluent6為燃燒模擬提供了一系列廣泛的物反應模型離散相模型液滴/質點動力學非均相反應液化作用蒸發(fā)作用輸運控制方程質量動量(湍流)能量化學組分燃燒模型預混合局部預混合非預混燃燒污染物模型輻射換熱模型無線快速化學有限速度化學反應模型離散相模型液滴/質點動力學輸運控制方程質量燃燒模型預Fluent中的反應模型預混燃燒非預混燃燒部分預混燃燒無限快速化學預混燃燒模型（反應過程可變）非預混平衡模型（混合分數）部分預混模型（反應過程可變+混合分數）渦耗散模型有限速度化學非預混層流小火焰模型層流速度模型渦耗散概念（EDC）模型組分PDF輸運模型Fluent中的反應模型預混燃燒非預混燃燒部分預混燃燒無限快Fluent6中其他模型表面燃燒離散相模型湍流顆粒擴散隨機軌道模型顆粒云模型煤粉霧化模型輻射模型：DTRM，P-1，Rosseland和DiscreteOrdinates湍流模型：k-

，RNGk-

，Realizablek-

，RSM，k-w，RSM和LES以及DES污染物排放模型:NOxwithreburnchemistryandsootFluent6中其他模型表面燃燒燃燒模擬中網格劃分為了收斂和精確度，高質量的網格是關鍵低扭曲度（<0.9任何一處）適當的寬高比（<10）足夠但不過度的分辨率平緩的微元體積變化（<30%）邊界正交在Fluent6中，非結構化網格技術使復雜的幾何圖形Gambit提供了快速而又強大的非結構化網格生成局部流動特性的求解混合網格（六面體，四面體，棱柱，錐體）懸掛節(jié)點適應非共形界面燃燒模擬中網格劃分為了收斂和精確度，高質量的網格是關鍵復雜的幾何體——四面體網格燃燒器有幾個復雜的部分在任何特定方向上流動并不均衡在聲波入口梯度高使用四面體網格復雜的幾何體——四面體網格燃燒器有幾個復雜的部分復雜的幾何體——四面體網格四面體網格允許細網格上的小型進口孔更大的細胞在爐域。復雜的幾何體——四面體網格四面體網格允許細網格上的小型進口孔混合網格——鍋爐在底部錐形部分有利于生成四面體網格頂部換熱器平板適合生成六面體網格在拐角入口處將棱柱擠壓形成三角型表面，模擬風箱——得到更好的射流穿透深度混合網格——鍋爐在底部錐形部分有利于生成四面體網格半自動六面體/混合網格半自動六面體/混合網格Fluent6：任意網格接口網格的靈活性，基于部件的網格劃分，以及模型建立Fluent6：任意網格接口網格的靈活性，基于部件的網格劃網格自適應網格自適應氣相燃燒時空守恒方程（Navier-Stokes）質量（r）動量（rv）能量（rh）化學組分（rYk）守恒方程的一般形式

根據焓來量化能量是有利的，其定義為

變化率對流擴散源項化學能熱能氣相燃燒時空守恒方程（Navier-Stokes）變化率化學動力學第K種物質的質量分數輸運方程

術語：化學組分，用Sk

表示，反應如下：

例子，CH4+2O2→CO2+2H2OS1=CH4S2=O2S3=CO2S4=H2Ov1’=1v2’=2v3’=0v4’=0

v1”=0v2”=0v3”=1v4”=2化學動力學第K種物質的質量分數輸運方程化學動力學計算出的反應速率正比于其反應產物濃度提高到各自的化學計量數。第K種物質的反應速率（對于單一反應）

式中，A=指前因子Cj=體積摩爾濃度=rYj/Mj

Mk=物質K的分子質量E=活化能R=通用氣體常數=8313J/kg?mol?k

β=溫度指數

注意，對于總反應，

，并且有可能不是整數。

化學動力學計算出的反應速率正比于其反應產物濃度提高到各自的化實際燃燒過程是湍流湍流最小長度尺度（稱作Kolmogorov特征尺度），η～L/Re3/4，其中L是燃燒器特征長度直接數值模擬（DNS）所需的網格節(jié)點數量（解決所有流動尺度）~(L/η）3=Re9/4

例如，Re~104

，網格節(jié)點數量~109

DNS計算困難，并將一直存在這種困難火焰長度（m）速度（m/s）雷諾數燃氣輪機燃燒器0.150250000點火52500000復燃室0.51002500000實用爐10105000000實際燃燒過程是湍流湍流最小長度尺度（稱作Kolmogorov燃燒建模的必要性可以精確控制反應的Navier-Stokes方程，但是DNS控制受限湍流

具有很大的時間和空間尺度（雷諾）時均模型

設想可視化流動的長時間曝光照引進必須模擬的項（雷諾應力）化學現實的化學機制，上十種物質，可能有上百種反應，以及剛體動力學（大范圍反應時間尺度）受數量有限的燃料所決定

燃燒建模的必要性可以精確控制反應的Navier-Stokes雷諾時均化方程Yk，Dk，Rk分別是第k種物質的質量分數，擴散系數和化學源項用平均梯度擴散模擬團湍流通量，，在k-ε模型中始終不變氣相燃燒模型關注相比于雷諾應力（湍流）更加難以模擬非穩(wěn)態(tài)項（沒有穩(wěn)態(tài)流動）分子擴散平均速率對流湍流波動對流平均化學源項雷諾時均化方程非穩(wěn)態(tài)項（沒有穩(wěn)態(tài)流動）分子擴散平均速率對流湍火焰中的湍流化學耦合Arrhenius反應速率高度非線性

不能忽視湍流波動對化學產率的影響

火焰中的湍流化學耦合Arrhenius反應速率高度非線性湍流和化學交互作用示例：甲烷單步反應（A=2×1011

，E=2×108）CH4+2O2→CO2+2H2ORCH4=1/2RO2=-RCO2=-1/2RH2O=-Aexp(-E/RT)[CH4]0.2[O2]0.3假設湍流在有一點的物質濃度始終不變，但是在整個流動過程中這點的溫度在T=300K,T=1000K,T=1700K上各占三分之一的時間。T(K)30010001700R(kgm-3s-1)10-251105湍流和化學交互作用示例：甲烷單步反應（A=2×1011燃燒中的化學動力學模擬實際方法簡化化學模型使用有限速度/渦耗散方法化學中的湍流和混合耦合使用混合碎片方法平衡化學PDF模型層流火焰模型進展變量Zimont模型混合碎片和進展變量部分預混合模型燃燒中的化學動力學模擬實際方法因次分析Reynolds數

–ρ，U，L，μ分別是特征密度，速度，長度和動力粘性系數–高雷諾數將表現為湍流Damkohler數–ρad

代表絕熱火焰密度

–Rslow

代表在Tad和當量濃度下的最低反應速率–高Damkohler數（Da>1）表示需要使用氣相湍流燃燒模型因次分析Reynolds數因次分析馬赫數Machnumber

–馬赫數Ma<0.3（不可壓縮）條件下，混合物分數模型有效Boltzmannumber–σ代表Stefan-Boltzman常數（5.672×10-8W/m2·K4）(假設此時對流強于導熱，對流是主要的傳熱形式)–當Bo<10時，才需要考慮輻射傳熱因次分析馬赫數Machnumber燃燒模型I

（氣相燃燒模型）燃燒模型I

（氣相燃燒模型）Fluent6中的氣相燃燒模型渦耗散模型有限速度/渦耗散模型非預混燃燒模型預混燃燒（Zimont）模型部分預混燃燒模型層流火焰模型渦耗散概念（EDC）模型合成PDF輸運模型其他模型：大渦模擬ISAT算法表面燃燒附錄層流火焰面生成火焰面生成策略剛性化學Fluent6中的氣相燃燒模型渦耗散模型渦耗散模型起源：Spalding1的“渦破碎”概念觀測的預混火焰特性不能正確解釋平均反映速率引進渦的生命周期，k/ε[t]有限混合反應Magnussen和Hjertager2將渦破碎推廣到了非預混和部分預混燃燒模型1D.B.Spalding(1971),ChemicalEng.Sci.26:95.2B.F.MagnussenandB.H.Hjertager(1976),16thSymposium(Int.)onCombustion,p.719渦耗散模型起源：渦耗散模型估計平均反應率（物質k），假設化學反應比湍流混合化學物質和熱量進入火焰的速度快得多(Da>>1)對于大部分反應堆，一個好的假設是使燃料迅速燃燒

與大尺度（也叫作渦流，或者渦破碎（EBU）），湍流時間成比例，ε/k化學反應近似于球形原理（一步或兩步）每種物質都需要解算雷諾（時間）平均物質質量分數方程，渦耗散模型估計平均反應率（物質k），有限速度/渦耗散模型FLUENT實現：物質i的源項是所有參與的反應的總源：在k反應中，經計算物質i的產生率或消耗率（Ri,k），比阿累尼烏斯速率（動力學）和渦破碎速率（湍流化學交互作用）小。有限速度/渦耗散模型FLUENT實現：有限速度/渦耗散模型阿累尼烏斯速率：

-反應物和產物化學計量系數-k反應中反應物和產物j的速率指數

βk-k反應的溫度指數Ek-活化能R-通用氣體常數Ak-指前因子Cj-j物質體積摩爾能讀Kk-平衡常數有限速度/渦耗散模型阿累尼烏斯速率：有限速度/渦耗散模型渦破碎速率：k-

湍流動能

ε

-

湍流耗散率mP,mR

-

物質質量分數A-

反應物Magnussen常數，4.0B-

產物Magnussen常數，0.5M-

分子量(R),(P)-反應物，產物有限速度/渦耗散模型渦破碎速率：激活有限速度/渦耗散模型激活有限速度/渦耗散模型有限速度/渦耗散模型優(yōu)點：適用于非預混，部分預混，和預混燃燒簡單物理基礎，使用廣泛缺點：當混合和運動時間標量大小相似（Da~1）時，模型失真考慮渦耗散概念或有限速度方法不能預測中間物質和分離效果溫度的超量預測；利用cp多項式改正不能逼真地模擬運動細節(jié)現象，比如點燃，熄滅，以及低Da流動不能嚴格解釋底層脈動流場A和B是數量級擴展常數；需要校準整合解決方案有限速度/渦耗散模型優(yōu)點：非預混模型：背景起源：Burke&Schumann3,Bilger4根據以下假設物質擴散系數相等聯(lián)合劉易斯數低馬赫數流調節(jié)組分質量分數和焓的輸運方程，使其成為相同的水平對流—擴散方程。按照守恒標量變量，可以用偏微分方程求解所有的這些方程3S.P.BurkeandT.E.W.Schumann(1928)DiffusionFlames.Indust.Eng.Chem.20,p.998.4R.W.Bilger(1976)TheStructureofDiffusionFlames.Combust.Sci.Technol.13,p.155.非預混模型：背景起源：非預混模型：背景假設在相同的擴散率，單一燃料以及氧化劑流情況下，很容易從物質方程中推導出平均混合分數輸運方程。相同擴散率的假設是合理的（除了H2），因為在高Re數時，湍流擴散遠強于層流擴散，湍流渦旋對流組分（或多或少）同樣的?；旌戏謹捣匠毯苡杏茫驗樗鼪]有反應源項，反應源項帶來的相關困難是原子元素在化學反應中守恒。非預混模型：背景假設在相同的擴散率，單一燃料以及氧化劑流情況非預混模型：背景混合分數，用f表示，是源于燃料流的元素質量分數混合質量分數直接和物質質量分數，混合密度以及混合溫度相關使用概率密度函數（PDF）把瞬間數據轉變成為時間平均數據需要混合分數的方差（以本地湍流參數為基礎）非預混模型：背景混合分數，用f表示，是源于燃料流的元素質量分非預混模型:PDFs在這種方法中，用單一變量（叫做混合分數）來描述化學過程化學平衡近似法，需要計算中間物質。由于假設化學反應迅速，不需要詳細的動力學數據。非預混模型:PDFs在這種方法中，用單一變量（叫做混合分數）非預混模型:PDFs平衡狀態(tài)關系描述混合分數和熱化學屬性的瞬時關系。湍流反應流動模擬預測了時均性湍流流動中某一點的流場變化，比如速度，混合分數，波動概率密度函數（PDF），用p(f)表示，代表了變量在f和f+△f之間的時間分數非預混模型:PDFs平衡狀態(tài)關系描述混合分數和熱化學屬性的瞬PDF的重要性PDF顯示出流體在每一狀態(tài)下花費的時間，可以通過PDF計算出平均量（比如平均反應速率）作為所有狀態(tài)下的平均值：PDF能夠從一個派生的輸運方程（PDF輸運法）解出假定模型DoubledeltaBetaPDF的重要性PDF顯示出流體在每一狀態(tài)下花費的時間，可以通混合物分數統(tǒng)計輸運方程平均混合分數平均混合分數是一個守恒量。源項Sm,只歸因于將大量液體燃料液滴或反應顆粒轉化為氣相?；旌戏謹捣讲钇渲笑襱=0.7，Cg=2.86，Cd=2.0是模型常數混合物分數統(tǒng)計輸運方程平均混合分數單一混合分數模擬系統(tǒng)單一混合分數模擬系統(tǒng)雙混合分數模型可以求解第二個獨立守恒標量（均值和方差）由于在運行時執(zhí)行PDF集成，計算費時使用第二個混合分數變量可以模擬：三種氣流成分（不同的組分和/或著溫度）兩種燃料和一種氧化劑流一種燃料和兩種氧化劑流一種燃料，一種氧化劑和一種惰性氣體將氣體燃料和液體燃料或固體顆粒（煤）燃料混燃兩個組合離散相液體燃料和煤燃料混燃單一燃料和兩種尾氣——這對煤燃燒很重要，因為分別追蹤揮發(fā)物和燃盡的炭雙混合分數模型可以求解第二個獨立守恒標量（均值和方差）雙混合分數模擬系統(tǒng)系統(tǒng)有兩個不同的燃料入口：系統(tǒng)有兩個不同的氧化劑入口：雙混合分數模擬系統(tǒng)系統(tǒng)有兩個不同的燃料入口：對非絕熱系統(tǒng)使用混合分數/概率密度函數法當地的熱化學狀態(tài)與混合分數和焓有關

Φi=Φi(f,h*)

當用聯(lián)合概率密度函數（p(f,h*)）描述湍流波動假設焓波動獨立于自由焓水平本身，是合理的h*’≠F(h*)焓可以單獨和混合分數相關h*=h*(f)對非絕熱系統(tǒng)使用混合分數/概率密度函數法當地的熱化學狀態(tài)與混對非絕熱系統(tǒng)使用混合分數/概率密度函數法與之前相比，現在聯(lián)合概率密度函數成為一個單變量概率密度函數，p（f）p[f,h*(f)]=p(f)平均數計算

焓取決于輸運方程

其中，Sh

代表來自輻射或離散相熱交換的焓源項

對非絕熱系統(tǒng)使用混合分數/概率密度函數法與之前相比，現在聯(lián)合非絕熱系統(tǒng)傳熱域邊界和/或者輻射傳熱不同溫度下多重燃料或氧化劑入口離散相傳熱非絕熱系統(tǒng)傳熱域邊界和/或者輻射傳熱非預混模型的PDF生成表非預混模型的PDF生成表非預混模型的PDF生成表非預混模型的PDF生成表后處理查找表后處理查找表可壓縮非預混燃燒模型焓焓來自PDF表：h=chemical+thermal(sensible)Fluent中求解的總焓：H=chemical+thermal+kineticFluent中，PDF查詢表：h=H–kineticenergy因此，即使模擬是絕熱的，也需要非絕熱PDF表壓力PDF中使用的壓力為常數：密度計算如下：密度在可壓縮Fluentv6中計算如下：假設組分和溫度不受壓力的影響可壓縮非預混燃燒模型焓可壓縮非預混燃燒模型注意使用可壓縮模型隨著流速的提高，假設的化學平衡（或者層流小火焰模型中的近似化學平衡）會變得越來越不準確流動停留時間減少溫度降低和反應速率下降模型中忽略壓力變化（包括均值和波動）的影響平衡組分和溫度對溫度非常敏感建立PDF表（含有額外的平均壓力大小）——為達到平衡需要4D表可壓縮非預混燃燒模型注意使用可壓縮模型非預混燃燒模型優(yōu)點：從底層湍流化學解耦；提供了增強的穩(wěn)定性和效率準確跟蹤中間產物組份濃度和分離效果通過PDFs細致地解釋湍流化學交互作用如果底層假設有效，選擇該模型缺點：必須是湍流流動（Re>1000）只適用于非預混燃燒化學反應必須處處接近平衡（Da>1000）非預混燃燒模型優(yōu)點：層流小火焰模型起源：N.Peters5,6

混合分數擴展/PDF模擬到中度的化學非平衡用層流拉伸火焰系綜模擬湍流火焰，對撞擴散火焰5N.Peters(1984)LaminarDiffusionFlameletModelsinNon-PremixedTurbulentCombustion.Prog.Energy.Combust.Sci.,10,p.319.6N.Peters(1986)LaminarFlameletConceptsinTurbulentCombustion.21stSymposiumonCombustion,p.1231.層流小火焰模型起源：層流小火焰模型用混合分數和標量耗散率來表示溫度，密度和組分（絕熱）對于混合分數PDF模型，熱化學狀態(tài)只是f的函數χ

與當地應變率有關用概率密度函數（PDF）P(f,a)規(guī)定火焰的統(tǒng)計學分布。使用Pf(f)，Pa(a)建立PDFP(f,a)模型，其中Pf(f)用Beta函數，Pa(a)用Dirac-Delta或者對數正態(tài)分布函數因此用表示P(f,a)層流小火焰模型用混合分數和標量耗散率來表示溫度，密度和組分（層流小火焰模型允許為不同擴散設定獨立準則，提供多個混合分數定義單一或多個火焰單一的：用戶定義應變a多個：應變火焰數據庫，0

<

a

<

aextinction

a=0平衡

a=aextinction

是火焰熄滅前的最大應變率可以模擬當地的extinctionpockets（例如火焰抬升現象）層流小火焰模型允許為不同擴散設定獨立準則，提供多個混合分數定預混燃燒模型起源：Zimont7用一個但一進展變量描述熱化學7V.Zimont,W.Polifke,M.Bettelini,W.Weisenstein(1997)AnEfficientComputationalModelforPremixedTurbulentCombustionatHighReynoldsNumbersBasedonaTurbulentFlameSpeedClosure.ASMETurboExpo,Orlando.,toappearinTransactionsoftheASME.預混燃燒模型起源：預混燃燒湍流使火焰表面起伏波動，并且扭曲了焰面紊流火焰速率預混燃燒預混燃燒模型平均反應速率導出的偏向預混燃燒的紊流火焰速率—湍流速度特征尺度（波動）—層流火焰速度—未燃盡流體的熱擴散率—湍流長度特征尺度—半經驗的拉伸效果和微分擴散因子預混燃燒模型平均反應速率預混燃燒模型紊流火焰速率表達式解釋了：預混燃料的當量比湍流作用下火焰前鋒起皺和增厚通過湍流延伸，火焰前鋒淬火微分分子擴散對于絕熱燃燒，對于非絕熱燃燒，必須求解焓方程UDF與湍流火焰掛鉤——可以使用以下宏預混燃燒模型紊流火焰速率表達式解釋了：可壓縮預混燃燒模型不可壓縮，絕熱預混狀態(tài)方程下角標u和b分別表示未燃燒和燃燒不求解焓方程輸入量ρu

，Tu和Tb可壓縮預混狀態(tài)方程必須求解焓方程（非絕熱）輸入量ρu

，Tu和Tb可壓縮預混燃燒模型不可壓縮，絕熱預混狀態(tài)方程部分預混模型結合非預混（f）和預混（c）模型火焰前，混合未燃燒火焰后，混合并燃燒原理：應用于f和c模型中的假設處于或接近化學平衡兩或三個不同的流動組分相同的壓力和擴散率湍流火焰速度模型假設PDF模型：假設統(tǒng)計獨立：對于Pβ

的BetaPDF：用f的兩個時刻來說明對于Pc的DoubledeltaPDF：薄火焰假設：部分預混模型結合非預混（f）和預混（c）模型部分預混模型：特性自動計算未然特性生成PDF表混合并未燃燒，f的T，ρ，cp和Du函數適合f的三階多項式函數忽略湍流波動由于函數近似線性，充分逼近忽略來自未燃燒流動的熱量損失或增加——當未燃燒流動損失或增加大量熱量可能會產生錯誤自動計算層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l隨當量比（f）的變化而變化數值計算適合于詳細的一維計算Gottgens,MaussandPeters,24thComb.Symp.,1992H2,CH4,C2H2，C2H4,C2H6,C3H8,p:1-40atm,T:298-800K分段線性計算適于依然范圍內的f注意：如果混合超出此范圍，必須在PDF中輸入此函數部分預混模型：特性自動計算未然特性生成PDF表部分預混模型：對策模型可用于完全預混系統(tǒng)自動計算sl，未燃燒和燃燒屬性完全非預混系統(tǒng)可以模擬不發(fā)生反應的混合（設置c=0）非反應入口（例如空氣混合流動）可以設置c=1自動點火一旦收斂，改變c=0，但不改變Yk和T初始化初始化c=1預混火焰前鋒吹回穩(wěn)定器穩(wěn)定器前修改c=0，之后改c=1部分預混模型：對策模型可用于LES燃燒模型將所有雷諾平均（RANS）燃燒模型擴展到LES模型用LES時間/長度尺度代替RANS時間/長度尺度湍流長度尺度：湍流速度尺度：湍流時間尺度：混合比例方差建模為：對所有標量中心差分LES燃燒模型將所有雷諾平均（RANS）燃燒模型擴展到LES總結Fluent6中的氣相燃燒模型：有限速率/渦耗散一般通用（非預混，預混和部分預混火焰）全局化學反應/經驗常數非預混燃燒模型魯棒性，節(jié)省時間只有非預混（擴散）湍流火焰層流小火焰模型中含有非化學平衡效應預混燃燒模型魯棒性；確認應用于精益，預混燃氣輪機只有預混燃燒不能求解組分分布部分預混燃燒模型非預混和預混模型的組合計算效率高能夠透過火焰面處理非平衡反應LES燃燒可以使用Fluent6中所有反應流模型非穩(wěn)態(tài)，三維模型，計算費時總結Fluent6中的氣相燃燒模型：附錄層流小火焰發(fā)生器非絕熱模型和非預混燃燒專業(yè)選項火焰生成策略附錄層流小火焰發(fā)生器Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器求解反向流動擴散火焰的一維方程Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器求解反向流動擴散火焰的一Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器氣動應變速率（as）是控制參數應變隨速度的增加而增加，隨噴嘴間距離的減少而增加隨著應變的增加：反應區(qū)寬度減小火焰中標量梯度增大火焰擴散增加火焰中停留時間減少化學非平衡增加溫度降低，自由基濃度增大最終火焰熄滅Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器氣動應變速率（as）是控Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器完全用f和as描述火焰代替應變，使用標量耗散（χ）量化化學非平衡更加方便其中D是一個典型的擴散系數通過關系式，χ與as相關

其中E是逆互補誤差函數Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器完全用f和as描述火焰Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器由于通過火焰χ發(fā)生變化，所以當f=fsto時用χsto=χ量化化學非平衡完全用f和

χsto描述火焰Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器由于通過火焰χ發(fā)生變化，Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器新的層流火焰發(fā)生器轉換從實際空間到混合分數空間的OPPDIF方程隨著時間推進，通過耦合隱式算法求解方程的穩(wěn)態(tài)解Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器新的層流火焰發(fā)生器Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器簡化轉換方程計算更快更加強大，允許生成整個庫在整個建模過程中，比其他算法錯誤更少例如：CH4-air,χsto=9.7/s,as=240/sFluent6.2中層流火焰發(fā)生器簡化轉換方程Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器0和1之間的混合分數網格點的數目產生的火焰最大數目對于多火焰，火焰采取的標量耗散值隨標量耗散步數而增加Fluent6.2中層流火焰發(fā)生器0和1之間的混合分數網格非絕熱火焰模型對于絕熱火焰模型，組分和溫度是f和

χsto

的函數火焰內，h=ho+f(hF-ho)三維PDF表：

生成多個焓的多個庫需要花費很多時間因此，假設火焰組分不隨焓而改變非絕熱火焰模型對于絕熱火焰模型，組分和溫度是f和χsto非絕熱火焰模型給定平均焓，從以下方程計算溫度：對于非絕熱火焰模型關于組分的三維PDF表：關于溫度和密度的四維PDF表：非絕熱火焰模型給定平均焓，從以下方程計算溫度：Non-premixedCombustionExperttuibased/define/models/species>non-premixed-combustion-expertPDF：0代表double-delta函數，1代表beta函數混合分數方法—0：標量耗散—1：有條件標量耗散—2：倍乘標量耗散

絕熱火焰溫度比條件下的最高溫度最大熱損失率最大熱增益率啟用PDF表溫度限制檢查嗎？Non-premixedCombustionExpert火焰生成對策需要化學機理Chemkin格式Fluent沒有提供在Fluent里面，可以規(guī)定組分的組成為摩爾分數質量分數混合分數的構想很強大求解方法是隨時間推進直到達到穩(wěn)態(tài)求解控制應一直處于工作：但是并不是起步擴散穩(wěn)定：初始CFL（默認為1：如果求解發(fā)散，將值降到0）隨后的每一步都乘以：倍增系數（默認為2：如果求解發(fā)散，將值降到1）火焰生成對策需要化學機理火焰生成對策#f網格點（初始=32）混合物分數空間的自動離散聚集關于計量f的網格點計量f是近似的峰值溫度標量耗散單一小火焰：在值域中使用所需的標量耗散多火焰：最大火焰數目規(guī)定了計算的層流火焰剖面的最大數目（初始=10）隨著標量耗散的增加而生成火焰。增量由標量耗散的步驟說明直到計算了在定義的最大火焰數目內的火焰數目，或者已經確定熄火極限，才會產生火焰火焰生成對策#f網格點（初始=32）火焰生成對策熄火極限如果已定義充足的火焰數在最大網格點上，將自動確定熄火極限在熄火范圍內的標量耗散值，依據燃料和氧化劑成分，工作壓力，化學模型確定該值可能對數值參數敏感，如混合物分數，火焰計算中的網格分辨率火焰生成對策熄火極限燃燒模型Ⅱ（氣相與表面）燃燒模型Ⅱ（氣相與表面）FLUENT6中的氣相燃燒模型渦耗散模型有限速率/渦耗散模型非預混燃燒模型預混燃燒（Zimont）模型部分預混燃燒模型層流火焰渦耗散概念（EDC）模型組分概率分布函數傳輸方式其他：表面燃燒大渦模擬ISAT模擬附錄：硬化學表面燃燒案例FLUENT6中的氣相燃燒模型渦耗散模型詳細化學模型對于由詳細動力學機理所描述的反應而言，化學模型的種類是十分龐大的：幾十種組分，在很反應時間尺度內有成百上千種大型蔓延反應?？捎媚Ｐ停簩恿饔邢匏俾蔈DC模型PDF傳輸模型動力學模型詳細動力學使用模型：點火與滅火模型污染物模型（Nox，CO,UHCs）慢化學反應（非化學平衡）由于CPU性能的增強，ISAT（自適應表格）程序能夠用來進行加速運算層流模型、EDC模型和PDF傳輸模型。詳細化學模型對于由詳細動力學機理所描述的反應而言，化學模型的有限速率化學反應FluentV6能夠導入CHEMKIN的詳細化學反應機理文件File->Import->Chemkin…反應：與可逆反應和第三體效率有關的阿列紐斯方程壓力取決于反應（Lindemann,TroeandSRI）隨混合函數的不同較低的壓力比率或較高的壓力比率分子級傳輸決定了混合和火焰速度的次聲速層流火焰臨界值建議使用動力學理論雷諾-瓊斯特征數可以在CHEMKIN的傳輸數據庫中得到（TRAN.DB）有限速率化學反應FluentV6能夠導入CHEMKIN的詳層流火焰化學反應固定不變反應時間/長度尺寸<<流動時間/長度尺寸需要特定的數值解法（剛性求解器）非預混（擴散火焰）燃料與氧化劑擴散進入反應區(qū)域之后進行燃燒預混燃料與氧化劑在分子級別進行混合燃燒燃燒移動的反應鋒面——通常很薄并且難以模擬爆燃超聲速：非常難以模擬。由于火焰速度取決于化學反應，并與分子擴散特征值有關，且需要確定火焰區(qū)域。爆炸超聲速：由于釋放熱滯后于沖擊而點火。較爆燃易于模擬，這是由于沖擊不確定的，且詳細的分子傳輸不是必要的。層流火焰化學反應固定不變數值方法

數值方法

ISAT（自適應表格）ISAT加速化學反應計算ISAT（自適應表格）ISAT加速化學反應計算ISAT

ISAT

ISAT可以通過建立這種映射表格來避免積分制作非預混混合分數模型，該表格具有三維尺度平均f，f的變化量以及平均焓h對于具有N種組分的一般化學反應，將所有的組分空間制成表格是無法實現的。N+3維每一維度有M個網格點，共有MN+3個表格點例如：M=10，N=7需要有1010個網格點然而，只有小部分的組分空間是可以獲得的只有在需要的時候才有必要制表（自適應）制表的錯誤時可以控制的（自適應制表）表格在模擬的過程中建立ISAT可以通過建立這種映射表格來避免積分ISAT理論在隨后調用自適應表格時，表格會詢問：初始狀態(tài)是否落在EOA？如果是，那么就進行插值并重新檢索映射如果不是，則進行直接積分映射會重新檢測以驗證是否符合IAST誤差寬容度如果是的，那么EOA會增加如果否，則進行新一輪的表格詢問重新檢索是很快的，EOA增加較慢，而新一輪表格詢問是十分的緩慢的表格點會存儲在二進制樹種ISAT理論在隨后調用自適應表格時，表格會詢問：使用ISAT存儲器用戶指定表格的大?。ㄒ訫b為大小）以可獲得的最大內存來設定ISAT表格的大小準確性默認的ISAT誤差限位0.001當求解已經收斂的時候，減小該值來確定熱化學解是否不再變化效率在瞬態(tài)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的初期，ISAT表格由中間映射填充這些映射不會再進行重新檢索，但會浪費內存（并且會增加遍歷表格的時間）如果可以，定期的清除這些中間映射，可以提高效率使用ISAT存儲器ISAT性能化學反應可以加速10到1000倍一般可以加速100倍這是十分可觀的上百倍的加速意味著原本需要3個月的模擬現在只需要1天就可以完成但是，ISAT表格插值存在錯誤必須經常通過降低ISAT誤差容忍度并確保結果不再發(fā)生變化來檢測準確性ISAT性能化學反應可以加速10到1000倍EDC模型渦破碎概念模型將渦破碎模型（或者馬格努森模型）擴展到有限速率化學反應，但是是一種完全不同的模型Gran和Magnussen（1996）Comb.Sci&Tech，119，pp.191-127湍流火焰中的詳細化學反應EDC是一種紊流-化學反應交互作用的模型應用隨即化學反應機理解釋復雜化學反應由于真實的化學反應機理并不是一成不變的剛性反應，因此十分耗費計算。ISAT（自適應表格）程序用來加速假定反應在小尺度內發(fā)生EDC模型渦破碎概念模型EDC理論

EDC理論

EDC案例實驗非預混甲烷、引導性、紊流擴散火焰SandiaFlameD幾何結構有2352個四邊形的對稱網格紊流模型標準k-ε模型，且Cεl=1.52，Sct=1.0（Pope修正）化學反應19中組分污染物包括NOEDC案例實驗NO平均質量分數NO平均質量分數

平均溫度平均YO2平均溫度平均YCO

平均YNO平均YCOPDF傳輸模型

PDF傳輸模型

求解算法PDF方程式高維度的Ndim=N個組分方程+1能量方程=N+1維不能用FD/FV/FE方法進行求解用蒙特卡洛法求解PDF傳輸方程由于對流粒子在物理空間內隨機運動，并由于混合和反應而穿過混合物空間對流、擴散和反應分部進行求解三種混合模式與平均值想交換的相互作用（IEM）修正旋度歐氏最小生成樹求解算法PDF方程式高維度的PDF傳輸模型案例實驗非預混甲烷，有引導的、紊流擴散火焰SandiaFlameD火焰幾何結構有2352個四邊形網格的對稱結構湍流模型標準k-ε模型，其中Cεl=1.52，Sct=1.0（Pope修正）混合IEM和Cφ=2的修正旋度化學反應16種組分的主要機理PDF傳輸模型案例實驗PDF傳輸模型案例：D型火焰PDF傳輸模型案例：D型火焰紅色標記：實驗值，藍色實線：修正曲線，綠色虛線：IEM燃燒數值模擬高級教程ppt課件詳細化學反應模型案例：貧預混燃燒實驗貧預混的預蒸發(fā)（LPP）丙烷-空氣燃燒位于Anderson,D.N的NASA的Lewis研究中心湍流模型標準k-ε模型詳細化學反應燃燒模型層流有限速率模型EDC模型組分PDF傳輸模型NO和N2O形成的Kundu化學反應機理17種組分、23步反應詳細化學反應模型案例：貧預混燃燒實驗CO發(fā)射指數CO發(fā)射指數Nox發(fā)射指數Nox發(fā)射指數表面反應吸收反應表面反應解吸反應三種類型的組分：氣體，表面（地點），固體組分FLUENT對待處于表面的化學組分與處于氣態(tài)的同種化學組分有著明顯的不同氣相與表面階段的反應時緊密耦合的表面反應機理可以從CHEMKIN表格中直接導入表面反應吸收反應FLUENT6中表面反應模型（已解決表面）具有多位置和位置組分的多步反應表面反應產物可以在其他表面反應中作為反應物參與反應局部位置平衡與從表面解吸氣態(tài)組分氣相和表面組分可以在反應中充當反應物，并且可以控制純粹的表面反應FLUENT6中表面反應模型（已解決表面）具有多位FLUENT6中表面反應模型（已解決表面）在不同表面中不同的反應機理（區(qū)域建立）在每一個表面和邊界允許不同的表面反應大量礦石組分沉積在同一表面用戶定義出口分別追蹤每種礦石組分的沉積/刻蝕速率對定點組分的濃度和空閑定點畫出等值線圖UDF函數，允許在表面上獲得吸收組分濃度FLUENT6中表面反應模型（已解決表面）在不同表面中不同多孔介質中的表面反應（未解決的表面）多孔介質中的表面反應催化劑以多孔介質的形式體現定義多孔區(qū)域內導熱屬于各項異性真實速度計算解釋了流體加速產生的影響多孔介質中的不均勻空隙度（孔隙度）和阻力分布UDF函數多孔介質中的表面反應（未解決的表面）多孔介質中的表面反應表面反應設置表面反應設置表面反應設定表面反應設定動力學模型反應設定的擴展模型（受限許可）可直接兼容CHEMKIN4.0氣相反應-所有的反應模型包括所有與壓力有關的反應氣相-表面反應-所有的反應模型包括取決于表面覆蓋率的反應動力學模型反應設定的擴展模型（受限許可）總結層流火焰只有層流問題分離或耦合求解器計算十分耗時EDC模型解釋了不平衡的影響計算十分耗時，ISAT可以減少耗時PDF傳輸模型解釋了應用隨機化學反應機理的復雜化學反應，ISAT可以減少計算耗時表面反應具有多點和定點組分的多步反應發(fā)生在壁面和多孔介質中的反應可以模擬動力學模型總結層流火焰附錄剛性求解器案例學習：催化劑燃燒壁面反應催化劑轉化器將整體材料視為多孔介質對待考慮多孔介質中壓降和流體加速反應發(fā)生在多孔介質中（標準化的面/體積比）附錄剛性求解器剛性求解器

剛性求解器

剛性求解器

剛性求解器

單通道案例邊界條件：體積組分：3%甲烷入口速度：5m/s入口溫度：600K氣體組分：CH4，O2，H2，CO，N2，OH表面組分：Pt(s)，H(s)，O(s)，OH(s)，H2O(s)，H3(s)，CH2(s)，CH(s)，C(s)，CO(s)，CO2(s)單通道案例表面反應機理：表面反應機理：主要氣體組分質量分數云圖主要氣體組分質量分數云圖覆蓋表面文件主要組分少量組分覆蓋表面文件主要組分催化劑整流器模擬催化劑整流器模擬催化劑整流器模擬廢氣中包括多種化學組分，部分是有害的廢氣中有害的化學組分是：一氧化碳（CO）氮氧化物（NOx）烴類（HC）CO，Nox，HC和粉塵是法律嚴厲控制的催化劑整流器用來減少CO，NOx和HC的排放催化劑整流器模擬廢氣中包括多種化學組分，部分是有害的催化劑整流器圖解催化劑整流器的主要構成部分是單成巖單成巖通常具有蜂窩狀結構，其外表面覆蓋一種或幾種催化劑，通常稱為涂層（鉑，銠，鈀）催化劑整流器圖解催化劑整流器的主要構成部分是單成巖幾何結構與網格通用密閉式耦合催化劑整流器非結構化混合網格在簡單幾何結構區(qū)域設置六面體網格在復雜幾何結構區(qū)域設置四面體網格非機構化網格可以快速構建網格數量大約為120000個單元幾何結構與網格通用密閉式耦合催化劑整流器催化劑整流器仿真模型與網格非結構化混合網格：120000網格催化劑整流器仿真模型與網格非結構化混合網格：120000網格邊界條件單成巖多孔介質各向異性的流動阻力沿氣流方向的低流動阻力垂直氣流方向的高流動阻力具有蜂窩結構的管道壁面熱傳遞對流是壁面熱損失的原因熱傳遞系數為10w/K-m2自由流溫度為300K壁面厚度為0.001m表面的面/體比20001/m邊界條件單成巖多孔介質反應機理反應機理是基于海德爾堡的Chatterjee,D.的“DetaillierteModellierungvonAbgskatalysatoren(Ph.D.Thesis)”（2011）在數據無法獲得之處建立了一些假設氣體的熱性質等擴散性催化劑的熱性質（機密信息）3相催化劑整流器反應機理反應機理是基于海德爾堡的Chatterjee,D.C3H6在Pt作用下氧化的反應機理C3H6在Pt作用下氧化的反應機理反應機理反應機理結果結果結果結果結果結果FLUETN中的離散模型與噴霧模型FLUETN中的離散模型與噴霧模型離散相模型在拉格朗日結構中可以計算粒子/液滴的軌跡氣相歐拉方程的換熱、換質以及動量交換離散相體積分數必須<10%質量負載可以很大（+100%）沒有粒子間相互作用或破碎紊流擴散模型是由隨即軌道模型粒子云模型粒子分離模型，噴霧干燥模型，液體燃料或煤燃燒模型等假定粒子進入和離開計算區(qū)域。不能用于計算持續(xù)懸浮或固定的模型。離散相模型在拉格朗日結構中可以計算粒子/液滴的軌跡DPM方程

DPM方程

階段間耦合單通道耦合與雙通道耦合在燃燒系統(tǒng)中，離散相和連續(xù)相是典型的雙通道耦合通過質量、動量和能量源項，粒子相影響流動相案例包括：惰性顆粒的加熱與冷卻液滴蒸發(fā)液滴沸騰液化作用表面燃燒階段間耦合單通道耦合與雙通道耦合顆粒類型顆粒類型包括：惰性的，液滴和燃燒顆粒給出幾種液化作用和焦燃燒模型。注意：該模型控制從煤/油生成燃料尾氣的速度。氣相（連續(xù)相）反應采用PDF模型或者有限速率燃燒模型。顆粒類型說明惰性的惰性的/加熱或冷卻液滴（油）加熱/蒸發(fā)/沸騰正在燃燒（煤）加熱；揮發(fā)物變化/膨脹；多相表面反應顆粒類型顆粒類型包括：惰性的，液滴和燃燒顆粒顆粒類型說明惰性液化作用和焦燃燒模型四種液化模型，定速率模型（默認）單一動力學速率模型雙競爭速率模型（）CPD模型五種焦燃燒模型，有限擴散率模型（默認）動力學/有限擴散速率模型本征模型CBK模型多表面反應模型在壁面/入口/出口等處顆粒邊界條件液化作用和焦燃燒模型四種液化模型，紊流擴散模型當顆粒進入湍流渦旋中時，在它們穿過渦流的時間內，顆粒試圖按照渦流運動。這種影響會導致側面擴散，這種擴散也應考慮在模型中。兩種可應用方法：顆粒隨機軌道模型（隨即軌道）粒子云模型紊流擴散模型當顆粒進入湍流渦旋中時，在它們穿過渦流的時間內，隨機軌道模型與云霧徑跡模型隨機軌道模型：考慮如溫度、速度和組分濃度等流動性質的局部改變。需要大量的隨機試驗以獲得統(tǒng)計上可信的案例（通過改變網格密度）不充分的隨機試驗會導致收斂性問題、不平滑的顆粒濃度和耦合源項的發(fā)散。推薦使用復雜模型云霧徑跡：在云顆粒模型中，對流動性質（如溫度等）的局部變化進行了平均化處理。顆粒濃度平滑分布，具有耦合源項。每一個直徑大小要求各自的云軌道計算隨機軌道模型與云霧徑跡模型隨機軌道模型：射入軌道顆粒需要以下數據的初始信息：位置直徑速度組分溫度流動比率開始時間結束時間射入軌道是提供這些信息的一種手段兩種可用的通用類型：直接描述開始狀態(tài)基于霧化輔助模型的射入裝置自動計算初始狀態(tài)射入軌道顆粒需要以下數據的初始信息：直接DPM設定單一：一個顆粒流從單一點射出群組：顆粒流沿同一條線射出空心/實心圓錐體：（三維）顆粒流以圓錐形模型射出表面：顆粒流從一個表面射出（每個流一個面或每個面按照羅辛-拉格姆分布）文件：顆粒流的射入位置和初始狀態(tài)由外部文件讀取（該文件可以由前面對簡單平面的計算中得到）直接DPM設定單一：一個顆粒流從單一點射出非定常流動中顆粒追蹤每個顆粒都在時間上隨流動發(fā)展對于耦合流動采用隱式時間步長，在每個時間步長中進行的顆粒追蹤都進行子迭代對于非耦合流動或耦合流動采用顯式時間步長，顆粒在每一時間步長的最后發(fā)展非定常流動中顆粒追蹤每個顆粒都在時間上隨流動發(fā)展瞬態(tài)流動的求解策略對離散相設定初始狀態(tài)（重新設定離散型模型能夠確保中間狀態(tài)耦合已經初始化）DPM源項只在每一次顆粒迭代中更新。如果松弛因子比1小，為了得到詳盡的源項要保證在每一時間步長內有足夠多的顆粒迭代。當在每一時間步長內只進行一次顆粒計算時，必須將松弛因子設為1.如果需要降低DPM松弛因子，那么降低每一次DPM迭代中連續(xù)相迭代的數量。當不收斂時采用較小的時間不成。（確保結果在每一時間步長內都收斂）瞬態(tài)流動的求解策略對離散相設定初始狀態(tài)（重新設定離散型模型能樣本平面和顆粒直方圖隨著顆粒穿過樣品平面（在2維中是線）追蹤平均顆粒軌跡，結果（位置、速度等）寫入文件中這些文件可以由繪制直方圖工具讀入，并在繪出停留時間和顆粒性質分布直方圖顆粒性質的平均值和標準差也可以記錄樣本平面和顆粒直方圖隨著顆粒穿過樣品平面（在2維中是線）追蹤用戶定義DPM函數應用用戶定義函數（UDF’s）進如下列離散相，應力外部應力輸出樣品平面腐蝕/增加速率顆粒與液滴反應定律定律之間自定義轉換在射入軌道時進入顆粒定義與每一個顆粒和每一個顆粒時間步長通路有關的標量（可以在整個顆粒周期內對標量變化量進行積分）用戶定義DPM函數應用用戶定義函數（UDF’s）進如下列離散霧化模型為什么需要霧化模型？霧化模型計算顆粒的初始條件和運行條件，這些條件DPM模型由給定的霧化類型自動計算中所必須的。因此，這種模型可以很大程度上加速問題的設定過程。霧化過程是十分復雜的霧化過程的目的是生成小液滴，并且物理屬性也是十分復雜的：薄片→韌帶→液滴射流→液滴大液滴→小液滴對霧化很重要的參數：液體密度和氣體密度液體粘度和氣體粘度表面張力（Weber數=慣性力/表面張力）霧化模型為什么需要霧化模型？霧化壓力霧化：當液體在高壓下從小孔中排出時壓力霧化的主要形式：平口；壓力渦旋（單一的）；雙重噴嘴旋轉霧化：主要是由高速旋轉的圓盤及將液體導入中心的方法構成?？諝廨o助/空氣爆炸霧化一股液流暴露在空氣或蒸汽流中霧化壓力霧化：主要的霧化模型霧化模型用于計算由霧化過程得到顆粒的初始狀態(tài)，而不是直接模擬霧化內部流動的復雜過程，并進行半經驗修正。在FLUENT6中有5種先進的霧化模型可選：平口噴嘴霧化壓力霧化噴嘴鼓風霧化器扁平扇形噴嘴泡騰霧化噴嘴任何一種噴射都可以設定為上述形式中的一種。霧滴的大小和速度將會自動設定。主要的霧化模型霧化模型用于計算由霧化過程得到顆粒的初始狀態(tài)，平口噴嘴霧化管道周圍有一圈小孔有三種狀態(tài)：單相成泡劇烈輸入：霧化噴嘴位置軸線（3D）質量流速率開始與結束時間蒸汽壓力內直徑孔口長度入口彎角曲率半徑噴霧角常數A開始與結束角度的方位角（3D）平口噴嘴霧化管道周圍有一圈小孔壓力霧化噴嘴應用施密特等人的線性不穩(wěn)定的霧化片（LISA）。（1999）假定KH波從片狀打碎成帶狀，隨后又由于靜脈曲張的不穩(wěn)定性被打碎成液滴。用戶輸入：噴嘴位置軸線（3D）質量流速率開始與結束時間內直徑噴霧半角上游壓力表常數帶常數開始和結束角度的方位角（3D）壓力霧化噴嘴應用施密特等人的線性不穩(wěn)定的霧化片（LISA）。鼓風霧化器額外的空氣通過噴嘴進入，形成更小的液滴直徑是壓力霧化噴嘴的一種變形用戶輸入：噴嘴位置軸線（3D）質量流速率開始和結束時間內直徑外直徑霧化半角中心空氣和膜的之間最大相對速度表常數帶常數開始和結束角度的方位角（3D）鼓風霧化器額外的空氣通過噴嘴進入，形成更小的液滴直徑用戶輸入扁平扇形噴嘴液體以平板狀進入膜破裂發(fā)生在壓力霧化噴嘴用戶輸入：噴嘴位置軸線（3D）法向（3D）質量流速率開始與結束時間霧化半角孔寬度平扇形片狀常數扁平扇形噴嘴液體以平板狀進入用戶輸入：泡騰噴嘴排出過熱或非常熱的液體液體在離開噴嘴后會迅速蒸發(fā)用戶輸入：噴嘴位置軸線（3D）質量流速率開始和結束時間內直徑蒸發(fā)壓力混合質量蒸發(fā)的過熱射流的質量分數飽和溫度離散常數最大半角開始和結束角度的方位角（3D）泡騰噴嘴排出過熱或非常熱的液體用戶輸入：二級霧化模型在Fluent6中有幾種二級霧化模型：碰撞與合并模型（O’Rourke）泰勒類比破碎模型（TAB）開爾文-赫姆霍茲（波）破碎模型液滴變形的動力學阻力模型這些模型與Fluent6中的主要霧化模型完全兼容詳細描述見附錄二級霧化模型在Fluent6中有幾種二級霧化模型：聯(lián)合技術中心小汽輪機噴嘴可視分布式試驗臺測量的莫爾文線由UTRC提供Fluent模型軸對稱可實現k-ε模型鼓風初級霧化TAB二級霧化碰撞/合并動力學阻力UDFDPM數值分布式試驗臺當液滴通過平面時允許自定義文件輸出聯(lián)合技術中心小汽輪機噴嘴可視分布式試驗臺測量的莫爾文線汽輪機噴嘴（Cont’d）汽輪機噴嘴（Cont’d）汽輪機噴嘴（Cont’d）主要霧化鼓風模型二級霧化TAB液滴破碎模型動力阻力O’Rourke的碰撞和合并模型汽輪機噴嘴（Cont’d）主要霧化柴油機燃燒CAT柴油機演示模型動力學網格純分層標準k-ε模型霧化模型波非預混燃燒渦破碎模型柴油機燃燒CAT柴油機柴油機燃燒（Cont’d）柴油機燃燒（Cont’d）柴油機燃燒（Cont’d）柴油機燃燒（Cont’d）噴霧反應模擬噴霧反應模擬總結很多應用中需要將離散顆粒與連續(xù)相計算結合在一起。FLUENT6DPM/Spary模型為復雜的物理情況提供了一種強大的工具。霧化模型（包括初級和二次霧化模型）使得很多噴霧問題變得簡單。總結很多應用中需要將離散顆粒與連續(xù)相計算結合在一起。附錄二級霧化模型噴霧案例附錄二級霧化模型液滴碰撞模型粒子不停地運動，在運動過程中可能會相互碰撞流域1的一個液滴和流域2的所有液滴之間碰撞數的平均期望值由此（O’Rourke,1981）計算流域1的一個液滴和流域2的所有液滴之間碰撞數的概率分布呈泊松分布液滴碰撞模型粒子不停地運動，在運動過程中可能會相互碰撞液滴碰撞模型（Cont’d）在碰撞之后，液滴可能會反彈也可能會合并液滴在正面碰撞時會發(fā)生合并現象液滴在傾斜碰撞時，由于韋伯數和臨界值的偏移，往往會發(fā)生反彈現象合并后液滴的性能取決于守恒定律，碰撞后掠過的液滴的速度取決于動量守恒定律注意：此模型僅適用于We<100，其中假定每一時間步長僅發(fā)生一次碰撞液滴碰撞模型（Cont’d）在碰撞之后，液滴可能會反彈也可能Taylor類比破裂（TAB）模型Raleigh-Taylor把震蕩變形的液滴和一個彈性質量系統(tǒng)進行了對比（O’Rourke,1981）表面張力彈性回復力阻力外力液滴粘性力阻尼力當液滴的變形超出某一程度時，液滴就會破碎。此時，子液滴的大小由能量守恒來確定（子液滴的數量由質量守恒來確定）子液滴有一個垂直于原液滴速度方向的速度分量Taylor類比破裂（TAB）模型Raleigh-TaylTAB模型（Cont’d）在破裂之后，DPM流域的數量保持常數值，流域中的粒子數會增加，而直徑會減小該模型對低韋伯數（We<100）的噴霧有效通過與Hiroyasu的噴霧轟炸實驗作比較來進行驗證滲透度（cm）時間（ms）TAB模型（Cont’d）在破裂之后，DPM流域的數量保持常波動破裂模型空氣動力的剪切作用引起液滴的波動，不穩(wěn)定的Kelvin-Helmholtz波也會增長，這就使得小液滴從原液滴上脫離Reitz(1987)的模型來源于對射出的液滴增長率最大值和相應波長的穩(wěn)定性分析子液滴的大小與增長最快的波長成比例波動破裂模型空氣動力的剪切作用引起液滴的波動，不穩(wěn)定的Kel波動破裂模型（Cont’d）當液滴的規(guī)定的質量脫落后，一個新的顆粒形成適用于高韋伯數噴霧通過與噴霧轟炸實驗數據作比較來進行驗證滲透度（cm）時間（ms）波動破裂模型（Cont’d）當液滴的規(guī)定的質量脫落后，一個新動態(tài)阻力模型在噴霧中，液滴經過快速的減速后，被周圍氣體扭曲和壓扁圓盤上的阻力比球體上的大得多。為了模擬出這種效應，阻力系數在球體和圓盤的阻力系數之間進行插值，基于以下變形：這一變形y可以使用之前描述的TAB模擬進行預測空氣動力，扭曲y=0y=1動態(tài)阻力模型在噴霧中，液滴經過快速的減速后，被周圍氣體扭曲和墻面-噴射模型反射DPM-BC墻面-噴射DPM-BC2-D轉子測試案例—反映轉子和定子的邊界條件，出口壁面的存水彎BC，每分鐘3000轉墻面-噴射模型反射DPM-BC墻面-噴射DPM-BC2-汽缸內流動-噴霧和燃燒DPM模型（噴射-墻面影響）反射DPM-BC墻面-噴射DPM-BC汽缸內流動-噴霧和燃燒DPM模型（噴射-墻面影響）反射D汽缸內流動-噴霧和燃燒3-D汽缸內測試案例—每分鐘2000轉，固體圓錐形噴霧器，6穴內燃機噴油器，波動破裂，O’Rourke碰撞。碰撞角Φ=4.0時的溫度等值線圖反射DPM-BC墻面-噴射DPM-BC總溫度等值線圖（K）靜態(tài)溫度等值線圖（K）汽缸內流動-噴霧和燃燒3-D汽缸內測試案例—每分鐘2000轉霧化器進料為液體，比如溶劑、懸浮液或乳膠，在霧化器中的一步操作后，都可以被轉化成粉末、顆?；驁F塊形式霧化后的進料呈噴霧形式，在適當設計的干燥室中與熱氣體接觸。干燥失室中的液體蒸發(fā)后只留下干粉霧化器的適用范圍較廣泛：食品、乳制品、等離子處理器、藥品生產、有機和無機化工、橡膠、陶瓷粉和清潔劑等霧化器粉末出口外部流化床干燥室旋風分離器和排氣裝置霧化器進料為液體，比如溶劑、懸浮液或乳膠，在霧化器中的一步操霧化器模型霧化器模型難以進行數值模擬，原因如下：該模型同時還需要復雜的物理模型，比如燃燒、湍流以及離散相顆粒軌跡在顆粒和氣相之間存在牢固的中間相耦合在不同相之間存在密度差正在進行的還有傳熱和蒸發(fā)現象在這個過程的參數優(yōu)化中，CFD可以起到有效的作用。比如，原始液滴的直徑、噴霧的位置和方向以及噴涂材料的質量流量霧化器模型霧化器模型難以進行數值模擬，原因如下：霧化器分析沒有蒸發(fā)作用（左圖）的溫度要比有蒸發(fā)現象（中間圖）的溫度高得多，因為蒸發(fā)作用冷卻了干燥器，這樣顆粒就不會過熱蒸發(fā)的水蒸氣（右圖）相當均勻CFD為這一操作提供了一種深刻的理解，這通過實驗是不可行的霧化器分析沒有蒸發(fā)作用（左圖）的溫度要比有蒸發(fā)現象（中間圖）FLUENT中的輻射模型入射輻射等值線圖FLUENT中的輻射模型入射輻射等值線圖輻射傳熱輻射傳遞方程（RTE）

I

單位時間、單位可見輻射面積，在單位立體角內所發(fā)射全部波長的能量

分別是吸收比和散射比

斯蒂芬—波爾茲曼常數

Φ

散射相函數（一種射線從一個方向散射到另一確定的方向的概率）I綜合了所有波長（灰體）——不依賴光譜有帶狀灰色選項的離散坐標模型求解出每一波段的I值困難在于：強度不僅是任意位置s函數，還是從所有立體角入射的輻射強度I的函數

I沿S路徑的變化率吸收和外部散射引起的減少量釋放氣體和內部散射帶來的增加量

輻射傳熱輻射傳遞方程（RTE）I沿S路徑的變化率吸收和外部散輻射理論外部散射，入射輻射，I向外發(fā)出的輻射，局部的發(fā)射和吸收內部散射（沿射線路徑散射）輻射強度沿著任意增加梯度的方向，通過吸收和外部散射作用而衰減，通過發(fā)射和內部散射作用而增強輻射理論外部散射，入射輻射，I向外發(fā)出的輻射，局部的發(fā)射和吸有效模型FLUENT6版本中的輻射模型離散傳播輻射模型（DTRM）P-1模型Rosseland模型離散坐標（DO）模型表面輻射（S2S）模型日光輻射模型對太陽輻射能運輸的射線追蹤算法：與所有的輻射模型都兼容僅適用于3D重要的參數是光學厚度≡aLa是特征吸收系數，對于碳氫化合物燃燒a=1m-1

L是燃燒室平均尺寸的特征長度有效模型FLUENT6版本中的輻射模型離散傳播輻射模型（DTRM）使用拉格朗日方法追蹤從邊界面發(fā)出的輻射射線假設可用單一的輻射射線近似從輻射表面沿某一立體角的所有輻射規(guī)定方位角和極角的方向由射線路經計算出先驗數值并保存于射線的文檔中離散傳播輻射模型（DTRM）使用拉格朗日方法追蹤從邊界面發(fā)出DTRM該模型針對所有的光學厚度都有效，但是不能用來解釋散射效應運算量大可以減少面和體的量，但這樣會降低模型的精度漫反射面入射輻射是各向同性反射的近似成灰體輻射沒有光譜依賴性不能使用懸掛節(jié)點DTRM該模型針對所有的光學厚度都有效，但是P-1模型該模型是四種通用P-N截斷模型之一，它把RTE方程擴展為一系列正交的球面函數

求解一個含G的擴散方程，

上式中，

輻射通量由下式確定，C是線性-各向異性相函數系數（-1<C<1）。當C為正數時，表示部分輻射能向前散射；當C為負數時，表示部分輻射能向后散射P-1模型該模型是四種通用P-N截斷模型之一，它把RTE方程P-1模型優(yōu)點簡單，擴散方程單一在aL>1時比較準確考慮了微粒的散射和各向