燃燒室流場計算及熱應(yīng)力

燃燒室的流場計算及燃燒室

熱應(yīng)力計算1、問題的描述如圖所示給出了燃燒室計算的模型，包括流場計算模型和燃燒室壁模型，該實例中發(fā)生氧氣與甲烷的燃燒，其中四個小孔為甲烷進口，進口速度為6m/s,大口的空氣速度為1.5m/s。CH4+2O2=CO2+2H2O2、燃燒模擬廣泛應(yīng)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(nèi)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TemperatureinagasfurnaceCO2massfractionStreamfunction2、燃燒模擬燃燒模型概要稀疏相模型液滴/顆粒動力學(xué)非均相反應(yīng)液化蒸發(fā)輸運控制方程質(zhì)量動量(湍流)能量化學(xué)組分燃燒模型預(yù)混局部預(yù)混非預(yù)混燃燒污染物模型輻射換熱模型2、燃燒模擬氣相燃燒有限速率模型(Magnussenmodel)守恒標量的PDF模型(一個或兩個混合分數(shù))層流火焰面（小火焰）模型(V5)Zimontmodel(V5)稀疏相模型湍流顆粒彌散隨機軌道模型（Stochastictracking）顆粒云團模型（Particlecloudmodel）(V5)粉煤與噴油燃燒子模型

輻射模型:DTRM,P-1,Rosseland和DiscreteOrdinates(V5)湍流模型:k-,RNGk-,RSM,Realizablek-(V5)andLES(V5)污染物排放模型:NOxwithreburnchemistry(V5)andsoot2、燃燒模擬模擬燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)難點與挑戰(zhàn)多數(shù)實際的燃燒過程是湍流化學(xué)反應(yīng)速率高度非線性;湍流－化學(xué)反應(yīng)高度耦合，相互作用很重要。真實化學(xué)反應(yīng)機理包含數(shù)十個組分,數(shù)百個基元反應(yīng)，并且方程組極具剛性(基元化學(xué)反應(yīng)時間尺度相差大)實際處理方法簡化化學(xué)反應(yīng)機理有限速率燃燒模型考慮湍流及其混合、弱化反應(yīng)化學(xué)混合分數(shù)模型平衡化學(xué)的PDF模型層流火焰面模型進展變量模型Zimont模型2、燃燒模擬有限速率模型求解組分的質(zhì)量分數(shù)輸運方程，化學(xué)反應(yīng)機理由用戶自己定義。非預(yù)混燃燒模型該模型中并不求解單個組分的輸運方程，而是求解一個或者兩個守恒標量（混合分數(shù)）的輸運方程預(yù)混燃燒模型模擬完全混合的燃燒問題。充分混合的燃燒物和產(chǎn)物被火焰前鋒分隔，求解出的化學(xué)反應(yīng)進展變量來描述該火焰前峰的位置部分預(yù)混燃燒模型該模型用來處理系統(tǒng)中同時具有非預(yù)混和充分預(yù)混的情況。該方法同時求解了混合分數(shù)和反應(yīng)進展變量

2、燃燒模擬有限速率模型用總包機理反應(yīng)描述化學(xué)反應(yīng)過程.求解化學(xué)組分輸運方程.求解當?shù)貢r間平均的各個組分的質(zhì)量分數(shù),mj.組分j的源項(產(chǎn)生或消耗）是機理中所有k個反應(yīng)的凈反應(yīng)速率:

Rjk(第k個化學(xué)反應(yīng)生成或消耗的j組分)是根據(jù)Arrhenius速率公式、混合或渦旋破碎（EBU）速率的小值。.混合速率與渦旋壽命相關(guān),k/.物理意義是湍流渦旋是決定化學(xué)反應(yīng)的首要因素。對于非預(yù)混燃燒，湍流渦旋決定了組分混合；對于預(yù)混燃燒湍流決定了熱輸運（高溫加熱低溫）。即：化學(xué)反應(yīng)決定于湍流混合組分（非預(yù)混燃燒）和熱量（預(yù)混燃燒）的速率。2、燃燒模擬有限化學(xué)反應(yīng)速率模型設(shè)置要求:給出組分及其物性給出化學(xué)反應(yīng)及其反應(yīng)速率在內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)FLUENTV5在mixturematerialdatabase里面提供了數(shù)據(jù)對于常用的燃料，數(shù)據(jù)庫都會給定機理，組分物性等信息.如果用戶需要給定個性化機理，則:生成新的混合物.改變已有混合物的物性/化學(xué)反應(yīng).2、燃燒模擬有限速率模型小節(jié)優(yōu)點:可以應(yīng)用于nonpremixed,partiallypremixed和premixedcombustion簡單、直觀應(yīng)用廣泛缺點:不適合混合速率與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)時間尺度相當時候的化學(xué)反應(yīng)(要求Da>>1).沒有嚴格考慮湍流－化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用問題不能考慮中間產(chǎn)物或組分、不能考慮分裂影響.模型常數(shù)不確定,特別是用于計算多個化學(xué)反應(yīng)的時候尤為如此，模型常數(shù)通用性較差。.2、燃燒模擬守恒標量(混合物分數(shù))模型:PDF模型只適應(yīng)用于非預(yù)混(擴散)火焰燃燒假定化學(xué)反應(yīng)過程受混合速率控制滿足局部化學(xué)平衡.控制體（計算單元）組分、物性決定于燃料和氧化劑在該處的混合程度.化學(xué)反應(yīng)機理不明確.用化學(xué)平衡計算來處理化學(xué)反應(yīng)(prePDF).只求解混合物分數(shù)及其方差的輸運方程,無需求解組分的輸運方程.可以嚴格考慮湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用2、燃燒模擬混合分數(shù)定義混合分數(shù),f,寫成元素的質(zhì)量分數(shù)形式:其中，Zk是元素k的質(zhì)量分數(shù)；下標F和O表示燃料和氧化劑進口流處的值。對于簡單的fuel/oxidizer系統(tǒng),混合物分數(shù)代表計算控制體里的燃料質(zhì)量分數(shù).混合物分數(shù)是守恒標量（conservedscalar）:組分輸運方程中沒有化學(xué)反應(yīng)源項.2、燃燒模擬可以用單個混合物分數(shù)模擬的燃燒系統(tǒng)Fuel/air擴散火焰:多氧化劑入口的擴散火焰:多燃料進口的擴散火焰:60%CH440%CO21%O279%N2f=1f=035%O265%N260%CH440%CO35%O265%N2f=1f=0f=060%CH420%CO10%C3H810%CO221%O279%N2f=1f=0f=160%CH420%CO10%C3H810%CO22、燃燒模擬層流火焰面模型用混合分數(shù)和標量耗散率來求解（絕熱）溫度、密度和組分等量。對于混合分數(shù)PDF模型(絕熱),熱－化學(xué)狀態(tài)只是f的函數(shù)c

與當?shù)貞?yīng)變率有關(guān)把混合分數(shù)PDF擴展到模擬中度化學(xué)非平衡燃燒模擬中用層流拉伸火焰系綜來模擬湍流火焰,對撞擴散火焰2、燃燒模