第三讲湍流燃烧模拟课件.ppt

1、主主 要要 内内 容容湍流燃烧认识湍流燃烧认识湍流燃烧模型湍流燃烧模型Fluent软件中的湍流燃烧模拟软件中的湍流燃烧模拟第一部分第一部分湍流燃烧认识湍流燃烧认识 在能源、动力、航空和航天等工程领域，经常遇到的在能源、动力、航空和航天等工程领域，经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程. 在湍流燃烧中，湍流流动过程和化学反应过程有强烈在湍流燃烧中，湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响。的相互关联和相互影响。 湍流燃烧的认识湍流燃烧的认识 湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率，同时化学湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率，同时

2、化学反应放热过程又影响着湍流，如何定量地来描述和确定这种相反应放热过程又影响着湍流，如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容. 。湍流燃烧的认识湍流燃烧的认识 组份方程和能量方程中的源项是化学反应源项；组份方程和能量方程中的源项是化学反应源项； 化学反应中组份的生成化学反应中组份的生成(消耗消耗)率或能量的释放速率是反率或能量的释放速率是反应物浓度和反应流体温度的应物浓度和反应流体温度的强非线性函数强非线性函数； 由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温度以及化学反由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温度以及化学反应速率都是随时间而脉动的，因此

3、在湍流燃烧的数值模拟中，应速率都是随时间而脉动的，因此在湍流燃烧的数值模拟中，不仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程不仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈确定的强非线性函数关系的脉动标量即时平均化学反应速率确定的强非线性函数关系的脉动标量即时平均化学反应速率的模拟。的模拟。 湍流燃烧模拟最基本的问题是反应速率的时均值不等于湍流燃烧模拟最基本的问题是反应速率的时均值不等于用时平均值表达的反应速率用时平均值表达的反应速率. 火焰正常传播火焰正常传播其中：其中：p为火焰

4、前沿法向移动的分速度；为火焰前沿法向移动的分速度；n为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。火焰传播速度火焰传播速度ddnnimuP0npLuuS其中：其中：u up p为火焰前沿法向移动的分速度；为火焰前沿法向移动的分速度；u un n为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致，如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致，取负号，反之，取正号。取负号，反之，取正号。火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度其法

5、线方向上的速度湍流火焰研究方法n一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。n另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率分布函数输运方程模型和分布函数输运方程模型和ESCIMOESCIMO湍流燃烧理论。湍流燃烧理论。分布函数分布函数P(f)P(f)的概念的概念 )()(tfdffP间隔间隔t t的时间分数，即几率。的时间分数

6、，即几率。），（dfff处在处在范围内的时间范围内的时间 在空间任何一点上混合物分数的统计分布在空间任何一点上混合物分数的统计分布, ,其中混合分数是由于瞬态质量分数其中混合分数是由于瞬态质量分数f f随时间脉动随时间脉动而形成的而形成的; ; 也称为瞬态质量分数也称为瞬态质量分数f f的几率分布密度，简的几率分布密度，简写为写为PDFPDF 几率几率 产生某个值的可能性产生某个值的可能性Rosin-Rammler分布()no iddRe此处R表示滴径大于doi的液滴重量占液滴总重量的百分数第二部分第二部分湍流燃烧模型湍流燃烧模型湍流燃烧唯象模型湍流燃烧唯象模型n旋涡破碎模型（旋涡破碎模型（e

7、ddy-break-up model)eddy-break-up model)n拉切滑模型拉切滑模型 (stretch-cut-and-slide model)(stretch-cut-and-slide model)n几率密度函数的输运方程模型几率密度函数的输运方程模型 - Spalding- Spalding的的ESCIMOESCIMO湍流燃烧理论湍流燃烧理论旋涡破碎模型旋涡破碎模型(EBU) nEddy-Break-up (EBU)基本思想基本思想在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学反应在这两种气团的交界面上发生，认为平均化学反反应在这两种

8、气团的交界面上发生，认为平均化学反应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比。速率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比。/fuRk基本思想(Spalding, 1976 ) 把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃气团；气团在把湍流燃烧区考虑成充满末燃气团和已燃气团；气团在湍流的作用下受到拉伸和切割，重新组合，不均匀性尺度湍流的作用下受到拉伸和切割，重新组合，不均匀性尺度下降；在未燃气和已燃气界面上存在着连续的火焰面，它下降；在未燃气和已燃气界面上存在着连续的火焰面，它以层流火焰传播速度向末燃部分

9、传播。以层流火焰传播速度向末燃部分传播。 拉切滑模型拉切滑模型 (stretch-cut-and-slide (stretch-cut-and-slide model)model)气团尺度的变化过程气团尺度的变化过程 考虑一个单位厚度的流体块，设其中每层流体块的平均厚度为，则该流体块中一共有1/层流体。在湍流作用下各层流体的厚度不断减小，流体块内的流体层数不断增加。 ESCIMO理论E，engulfment：卷吞，描述在大尺度湍流作用下，一种流体被另一种：卷吞，描述在大尺度湍流作用下，一种流体被另一种流体卷吞的过程。流体卷吞的过程。S，stretching：拉伸，描述迭在一起的流体层长度增加、

10、厚度减小的：拉伸，描述迭在一起的流体层长度增加、厚度减小的过程。过程。C，coherence：粘附，描述流体层不愿分离的一种趋势，认为两层流：粘附，描述流体层不愿分离的一种趋势，认为两层流体一旦由于卷吞碰到一起，那么在传输、拉伸和化学反应的过程中都体一旦由于卷吞碰到一起，那么在传输、拉伸和化学反应的过程中都不会分开，它们互相粘附在一起。不会分开，它们互相粘附在一起。I，interdiffusion和化学上的和化学上的interaction：相互扩散和化学反应，描：相互扩散和化学反应，描述在流体层受拉伸的过程中，发生在流体层内部及其交界面上的扩散述在流体层受拉伸的过程中，发生在流体层内部及其交界

11、面上的扩散和化学反应。和化学反应。MO，moving observer：运动观察者，意味着为了描述相互扩散和化：运动观察者，意味着为了描述相互扩散和化学反应，把坐标系取在流体层上，与流体一起运动。学反应，把坐标系取在流体层上，与流体一起运动。n 以上模型是从唯象的角度(如拟序结构、流场结构及涡的输运和破碎)来考察湍流燃烧过程。n但从研究湍流燃烧的角度看，更为合理的是基于流体力学的角度。湍流燃烧气相模型湍流燃烧气相模型nGeneralized Finite-Rate Model(通用有限速率模型通用有限速率模型)nNon-Premixed Combustion Model（非预混燃烧模型）（非预

12、混燃烧模型）nPremixed Combustion Model（预混燃烧模型）（预混燃烧模型）nPartially Premixed Combustion Model(部分预混燃烧模型部分预混燃烧模型)nComposition PDF Transport Combustion Model（组分概率（组分概率密度输运燃烧模型）密度输运燃烧模型）有限速率模型nChemical reaction process described using global mechanism.nTransport equations for species are solved.nThese equations

13、predict local time-averaged mass fraction, mj , of each species.nSource term (production or consumption) for species j is net reaction rate over all k reactions in mechanism: nRjk (rate of production/consumption of species j in reaction k) is computed to be the smaller of the Arrhenius rate and the

14、mixing or “eddy breakup” rate. nMixing rate related to eddy lifetime, k /.nPhysical meaning is that reaction is limited by the rate at which turbulence can mix species (nonpremixed) and heat (premixed).RRjjkk有限速率模型n求解反应物和生成物输运组分方程，并由用户来定义化求解反应物和生成物输运组分方程，并由用户来定义化学反应机理。学反应机理。n反应率作为源项在组分输运方程中通过阿累尼乌斯方程

15、反应率作为源项在组分输运方程中通过阿累尼乌斯方程或涡耗散模型。或涡耗散模型。n有限速率模型适用于有限速率模型适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。燃烧。n应用领域：该模型可以模拟大多数气相燃烧问题，在航应用领域：该模型可以模拟大多数气相燃烧问题，在航空航天领域的燃烧计算中有广泛的应用。空航天领域的燃烧计算中有广泛的应用。Generalized Finite Rate Model: SummarynAdvantages:nApplicable to nonpremixed, partially premixed, and premixed combustionn

16、Simple and intuitivenWidely usednDisadvantages:nUnreliable when mixing and kinetic time scales are comparable (requires Da 1).nNo rigorous accounting for turbulence-chemistry interactionsnDifficulty in predicting intermediate species and accounting for dissociation effects.nUncertainty in model cons

17、tants, especially when applied to multiple reactions.非预混燃烧模型-PDF ModelnApplies to nonpremixed (diffusion) flames onlynAssumes that reaction is mixing-limitednLocal chemical equilibrium conditions prevail.nComposition and properties in each cell defined by extent of turbulent mixing of fuel and oxidi

18、zer streams. nReaction mechanism is not explicitly defined by you. nReacting system treated using chemical equilibrium calculations (prePDF).nSolves transport equations for mixture fraction and its variance, rather than species transport equations.nRigorous accounting of turbulence-chemistry interac

19、tions.非预混燃烧模型-PDF模型n该模型不求解单个组分输运方程，但求解混合组分分布的输运方该模型不求解单个组分输运方程，但求解混合组分分布的输运方程。各组分浓度由混合组分分布求得。程。各组分浓度由混合组分分布求得。 nPDF模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过程。在模型尤其适合于湍流扩散火焰的模拟和类似的反应过程。在该模型中，用概率密度函数该模型中，用概率密度函数PDF来考虑湍流效应。来考虑湍流效应。 该模型不要求该模型不要求用户显式地定义反应机理，而是通过火焰面方法用户显式地定义反应机理，而是通过火焰面方法(即混即燃模型即混即燃模型)或或化学平衡计算来处理，因此比有限速率模型

20、有更多的优势。化学平衡计算来处理，因此比有限速率模型有更多的优势。n应用领域：该模型应用于非预混燃烧（湍流扩散火焰），可以用应用领域：该模型应用于非预混燃烧（湍流扩散火焰），可以用来计算航空发动机的环形燃烧室中的燃烧问题及液体来计算航空发动机的环形燃烧室中的燃烧问题及液体/固体火箭发固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。动机中的复杂燃烧问题。Mixture Fraction DefinitionnThe mixture fraction, f, can be written in terms of elemental mass fractions as:nwhere Zk is the elemen

21、tal mass fraction of some element, k. Subscripts F and O denote fuel and oxidizer inlet stream values, respectively.nFor simple fuel/oxidizer systems, the mixture fraction represents the fuel mass fraction in a computational cell.nMixture fraction is a conserved scalar: nReaction source terms are el

22、iminated from governing transport equations.OkFkOkkZZZZf,Systems That Can be Modeled Using a Single Mixture FractionnFuel/air diffusion flame:nDiffusion flame with oxygen-enriched inlets:nSystem using multiple fuel inlets:60% CH4 40% CO21% O2 79% N2f = 1f = 035% O2 65% N260% CH4 40% CO35% O2 65% N2f

23、 = 1f = 0f = 060% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO221% O2 79% N2f = 1f = 0f = 160% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2PDF Modeling of Turbulence-Chemistry InteractionnFluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).np(V), the PDF, represents fraction of sampling time w

24、hen variable, V, takes a value between V and V + V.np(f) can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction, f:nSpecies mole fractionsnTemperature, densityp VVTTii( )lim1iip ff df( )( )01PDF Model FlexibilitynNonadiabatic systems:nIn real problems, with heat

25、 loss or gain, local thermo-chemical state must be related to mixture fraction, f, and enthalpy, h.nAverage quantities now evaluated as a function of mixture fraction, enthalpy (normalized heat loss/gain), and the PDF, p(f).nSecond conserved scalar:nWith second scalar in FLUENT, you can model:nTwo f

26、uel streams with different compositions and single oxidizer stream (visa versa)nNonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizernCo-firing a gaseous fuel with another gaseous, liquid, or coal fuelnFiring single coal with two off-gases (volatiles and char burnout products) tracked separatelyP

27、DF Model: SummarynAdvantages:nPredicts formation of intermediate species.nAccounts for dissociation effects.nAccounts for coupling between turbulence and chemistry.nDoes not require the solution of a large number of species transport equationsnRobust and economicalnDisadvantages:nSystem must be near

28、 chemical equilibrium locally.nCannot be used for compressible or non-turbulent flows.nNot applicable to premixed systems.Partially Premixed Combustion Model(部分预混燃烧模型部分预混燃烧模型)n该模型针对预混和非预混燃烧都存在的湍流反应流动。n通过求解混合分数方程和反应过程参数来确定火焰峰面的位置。 The Laminar Flamelet ModelnTemperature, density and species (for adiab

29、atic) specified by two parameters, the mixture fraction and scalar dissipation ratenRecall that for the mixture fraction PDF model (adiabatic), thermo-chemical state is function of f onlync can be related to the local rate of strainnExtension of the mixture fraction PDF model to moderate chemical no

30、nequilibriumnTurbulent flame modeled as an ensemble of stretched laminar, opposed flow diffusion flames2)/(xf c),(cfii将湍流火焰看成嵌入湍流流场内的将湍流火焰看成嵌入湍流流场内的局部具有一维结构的薄层流火焰。局部具有一维结构的薄层流火焰。湍流燃烧的层流小火焰模型是一种湍流燃烧的层流小火焰模型是一种基于快速反应假设的模型，在火焰基于快速反应假设的模型，在火焰面内以分子扩散和输运过程为主。面内以分子扩散和输运过程为主。 Laminar Flamelet Model (2)nStat

31、istical distribution of flamelet ensemble is specified by the PDF P(f,c), which is modeled as Pf (f) Pc (c), with a Beta function for Pf (f) and a Dirac-delta distribution for Pc (c)nOnly available for adiabatic systems in V5nImport strained flame calculationsnprePDF or Sandias OPPDIF codenSingle or

32、 multiple flameletsnSingle:user specified strain, anMultiple: strained flamelet library, 0 a aextinctionna=0 equilibriumna= aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishesnPossible to model local extinction pockets (e.g. lifted flames)10 0)()(),(dfdPfPffiicccc模型的应用n层流小火焰模型在湍流预混燃烧和湍流

33、扩散燃烧中表达层流小火焰模型在湍流预混燃烧和湍流扩散燃烧中表达形式有很大不同；形式有很大不同；n在湍流扩散燃烧中，输运方程中无化学反应源项，可以在湍流扩散燃烧中，输运方程中无化学反应源项，可以唯一地确定燃烧状态的守恒标量是混合分数，摄动参量唯一地确定燃烧状态的守恒标量是混合分数，摄动参量是标量的耗散率；是标量的耗散率；n在湍流预混燃烧的层流小火焰模型中，输运方程中无源在湍流预混燃烧的层流小火焰模型中，输运方程中无源项的可以唯一确定燃烧状态的守恒标量是描述火焰面位项的可以唯一确定燃烧状态的守恒标量是描述火焰面位置的标量，摄动变量为使层流火焰面皱褶的变形率。置的标量，摄动变量为使层流火焰面皱褶的变

34、形率。 层流小火焰模型的优点n层流小火焰模型的快速反应假定较切合实际燃烧系统；层流小火焰模型的快速反应假定较切合实际燃烧系统；n大的标量耗散率或火焰面变形率又可引致灭火，因此，大的标量耗散率或火焰面变形率又可引致灭火，因此，具有预报着火、灭火的能力；具有预报着火、灭火的能力；n层流燃烧的数值模拟可以考虑详细的化学反应动力学过层流燃烧的数值模拟可以考虑详细的化学反应动力学过程和分子输运过程，因此，该模型具有良好的发展前景程和分子输运过程，因此，该模型具有良好的发展前景和实用价值。和实用价值。 不论是在湍流扩散燃烧中不论是在湍流扩散燃烧中, ,还是在湍流预混燃烧中还是在湍流预混燃烧中, ,Prem

35、ixed Combustion Model（预混燃烧模型）（预混燃烧模型）n主要针对纯预混湍流燃烧问题，在这些问题中，主要针对纯预混湍流燃烧问题，在这些问题中，反应物和生成物由火焰峰面隔开，该模型通过反应物和生成物由火焰峰面隔开，该模型通过求解各种反应过程参数来预测火焰峰面的位置求解各种反应过程参数来预测火焰峰面的位置; ;n该模型为考虑湍流对燃烧的影响，引入了一个该模型为考虑湍流对燃烧的影响，引入了一个湍流火焰速度。湍流火焰速度。 The Zimont Model for Premixed CombustionnThermo-chemistry described by a single p

36、rogress variable, nMean reaction rate, nTurbulent flame speed, Ut, derived for lean premixed combustion and accounts fornEquivalence ratio of the premixed fuelnFlame front wrinkling and thickening by turbulencenFlame front quenching by turbulent stretchingnDifferential molecular diffusionnFor adiaba

37、tic combustion,nThe enthalpy equation must be solved for nonadiabatic combustiontcxu cxSccxRciiittic01RUccunburnttpadpppYYc/adunburntTcTcT)1(第三部分第三部分 Fluent软件中的湍流燃软件中的湍流燃烧模拟烧模拟ApplicationsnWide range of homogeneous and heterogeneous reacting flowsnFurnacesnBoilersnProcess heatersnGas turbinesnRocket

38、 enginesnPredictions of:nFlow field and mixing characteristicsnTemperature fieldnSpecies concentrationsnParticulates and pollutantsTemperature in a gas furnaceCO2 mass fractionStream functionAspects of Combustion ModelingDispersed Phase ModelsDroplet/particle dynamicsHeterogeneous reactionDevolatili

39、zationEvaporationGoverning Transport EquationsMassMomentum (turbulence)EnergyChemical SpeciesCombustion ModelsPremixedPartially premixedNonpremixedPollutant ModelsRadiative Heat Transfer ModelsnGas phase combustionnGeneralized finite rate formulation (Magnussen model)nConserved scalar PDF model (one

40、 and two mixture fractions)nLaminar flamelet model nZimont modelnDiscrete phase modelnTurbulent particle dispersionnStochastic trackingnParticle cloud modelnPulverized coal and oil spray combustion submodelsnRadiation models: DTRM, P-1, Rosseland and Discrete Ordinates nTurbulence models: k-, RNG k-

41、, RSM, Realizable k- and LESnPollutant models: NOx with reburn chemistry and sootCombustion Models Available in FLUENTModeling Chemical Kinetics in CombustionnChallengingnMost practical combustion processes are turbulentnRate expressions are highly nonlinear; turbulence-chemistry interactions are im

42、portantnRealistic chemical mechanisms have tens of species, hundreds of reactions and stiff kinetics (widely disparate time scales)nPractical approachesnReduced chemical mechanismsnFinite rate combustion modelnDecouple reaction chemistry from turbulent flow and mixingnMixture fraction approachesnEqu

43、ilibrium chemistry PDF modelnLaminar flameletnProgress variablenZimont modelDiscrete Phase ModelnTrajectories of particles/droplets/bubbles are computed in a Lagrangian frame. nExchange (couple) heat, mass, and momentum with Eulerian frame gas phasenDiscrete phase volume fraction must 10%nAlthough t

44、he mass loading can be largenNo particle-particle interaction or break upnTurbulent dispersion modeled bynStochastic trackingnParticle cloud (V5) nRosin-Rammler or linear size distributionnParticle tracking in unsteady flows (V5)nModel particle separation, spray drying, liquid fuel or coal combustio

45、n, etc.Continuous phase flow field calculationParticle trajectory calculationUpdate continuous phase source termsnTurbulent dispersion is modeled by an ensemble of Monte-Carlo realizations (discrete random walks)nParticles convected by the mean velocity plus a random direction turbulent velocity flu

46、ctuationnEach trajectory represents a group of particles with the same properties (initial diameter, density etc.)nTurbulent dispersion is important becausenPhysically realistic (but computationally more expensive)nEnhances stability by smoothing source terms and eliminating local spikes in coupling

47、 to the gas phaseParticle Dispersion: The Stochastic Tracking ModelCoal particle tracks in an industrial boilerParticle Dispersion: The Particle Cloud Modeln Track mean particle trajectory along mean velocitynAssuming a 3D multi-variate Gaussian distribution about this mean track, calculate particle

48、 loading within three standard deviationsnRigorously accounts for inertial and drift velocitiesnA particle cloud is required for each particle type (e.g. initial d, etc.)nParticles can escape, reflect or trap (release volatiles) at wallsnEliminates (single cloud) or reduces (few clouds) stochastic t

49、rackingnDecreased computational expensenIncreased stability since distributed source terms in gas phaseBUT decreased accuracy sincenGas phase properties (e.g. temperature) are averaged within cloud nPoor prediction of large recirculation zonesCoal/Oil Combustion ModelsnCoal or oil combustion modeled

50、 by changing the modeled particle tonDroplet - for oil combustionnCombusting particle - for coal combustionnSeveral devolatilization and char burnout models provided.nNote: These models control the rate of evolution of the fuel off-gas from coal/oil particles. Reactions in the gas (continuous) phase