ANSYS燃烧反应模拟介绍课件.pptx

1、ANSYS 17.0燃烧反应模拟燃烧反应模拟基本概念基本概念反应流模型反应流模型快速化学反应模型快速化学反应模型有限速率化学反应模型有限速率化学反应模型表面反应表面反应/污染物污染物固体固体/液体燃烧液体燃烧概要概要基本定义基本定义燃烧反应燃烧反应 燃料和氧化剂发生放热化学反应、放出大量热并使得化学成分的种类发燃料和氧化剂发生放热化学反应、放出大量热并使得化学成分的种类发生变化的过程生变化的过程 由燃烧支配的流动构成反应流动的主要部分由燃烧支配的流动构成反应流动的主要部分化学计量学化学计量学 一定量燃料要充分燃烧需要充足的氧化剂一定量燃料要充分燃烧需要充足的氧化剂 CH4 + O2 CO2 +

2、 H2O燃料与空气的化学计量比燃料与空气的化学计量比 燃料数量与空气数量的化学计量比燃料数量与空气数量的化学计量比额外空气额外空气 提供的空气量超过化学计量结果所需的量提供的空气量超过化学计量结果所需的量等值比等值比( ) 燃料燃料-空气的真实比值与燃料空气的真实比值与燃料-空气化学计量比的比值空气化学计量比的比值 1 富油燃烧富油燃烧; 1Finite rate chemistryDa 1离散项模型离散项模型(固固/液液 模型模型) 液珠液珠/颗粒颗粒 动力学动力学 DEM 碰撞碰撞 蒸发蒸发 挥发挥发 多项反应多项反应湍流模型湍流模型 LES, DES, SAS. RANS: k-e, k

3、-w, RSM.污染物模型污染物模型 NOx, Soot, SOx辐射模型辐射模型 P1, DO (Gray/Non-gray)真实气体影响真实气体影响 SRK, ARK, RK, PRFluent中的燃烧模型中的燃烧模型预混燃烧模型预混燃烧模型非预混燃烧模型非预混燃烧模型部分预混燃烧模型部分预混燃烧模型快速化学反应快速化学反应离散涡模型离散涡模型(分类运输分类运输 )预混燃烧模型预混燃烧模型C公式公式G 公式公式ECFM非预混模型非预混模型均衡模型均衡模型混合物分数混合物分数部分预混模型部分预混模型多变反应过程多变反应过程+混合物分数混合物分数有限速率化学反应有限速率化学反应层流有限速率模型

4、层流有限速率模型离散涡概念离散涡概念(EDC)模型模型综合综合PDF 输运模型输运模型层流小火焰模型层流小火焰模型(稳态稳态/非稳态非稳态)流场结构流场结构化学反应化学反应简介简介模拟湍流反应的挑战模拟湍流反应的挑战湍流反应模型湍流反应模型 离散涡模型离散涡模型 渐进均衡模型渐进均衡模型 非预混均衡模型非预混均衡模型 小火焰小火焰 预混预混 部分预混部分预混 小火焰多种生成小火焰多种生成概要概要: part-II湍流反应流模拟湍流反应流模拟大多数工程中的反应问题都是湍流问题大多数工程中的反应问题都是湍流问题 IC 引擎引擎, 燃气轮机燃气轮机, 锅炉锅炉, 熔炉熔炉, 火箭发动机火箭发动机.方

5、法方法 直接数值解法直接数值解法(DNS) 考虑到反应时间和反应尺度问题，目前大多数解法均难以精确模拟考虑到反应时间和反应尺度问题，目前大多数解法均难以精确模拟 DNS 解法目前仅限于实验室探究燃烧问题解法目前仅限于实验室探究燃烧问题 RANS法法 工程实践中经常采用的方法工程实践中经常采用的方法 大涡模拟大涡模拟 (LES) 介于介于DNS 和和RANS之间之间 混合模型混合模型 (DES, SAS or ELES)应用实例应用实例煤油灯火焰煤油灯火焰层流小火焰模型层流小火焰模型(JetSurF 1.0)甲烷燃烧甲烷燃烧1层流小火焰模型层流小火焰模型(GRI Mech 3.0)玻璃熔炉燃烧玻

6、璃熔炉燃烧(EBU model)Hamworthy 燃烧公司燃烧公司. 预混预混燃烧器加热过程燃烧器加热过程天然气燃烧模型天然气燃烧模型(均衡非预混模型均衡非预混模型)氢氧燃烧氢氧燃烧(RCM-3)(均衡非预混火焰模型均衡非预混火焰模型)环形燃烧室模型环形燃烧室模型2(部分预混模型部分预混模型)1.Courtesy of Lamar University, Beaumont, TX, 2011 (Experimental image from University of Alberta, Flare research project, final report, 2004)2.Courtesy

7、 of Siemens-Westinghouse简介简介详细反应机理详细反应机理详细化学反应模型详细化学反应模型 层流有限速率层流有限速率 离散涡概念离散涡概念 合成合成 PDF 输运输运化学反应加速工具化学反应加速工具 In-situ 适应性表格适应性表格 化学反应的汇聚化学反应的汇聚 维度减少维度减少概要概要: part-III三种类型三种类型 详细的详细的, 框架和缩略式的反应机理框架和缩略式的反应机理详细反应机理详细反应机理 反应物种类庞大反应物种类庞大 基原反应种类庞大基原反应种类庞大框架式反应机理框架式反应机理 缩减后的详细反应机理缩减后的详细反应机理 删除了不重要的反应物和反应过

8、程删除了不重要的反应物和反应过程缩略式反应机理缩略式反应机理 在上述两种反应机理上更进一步细化在上述两种反应机理上更进一步细化 准定常状态假设准定常状态假设(QSSA)详细反应机理的类型详细反应机理的类型计算经济性计算经济性求解精确性求解精确性低低高高CHEMKIN 格式格式Fluent 可导入可导入CHEMKIN 反应机理文件反应机理文件基元反应机理的简要描述基元反应机理的简要描述 反应机理，反应物和反应过程的简要信息反应机理，反应物和反应过程的简要信息导入导入CHEMKIN 文件时将会自动进行计算单位的转换文件时将会自动进行计算单位的转换需要单独的热动力学数据库支持需要单独的热动力学数据库

9、支持示例文件示例文件指前因子指前因子温度因子温度因子激活能量激活能量详细的化学反应计算需要消耗详细的化学反应计算需要消耗大量时间和计算资源大量时间和计算资源化学反应加速工具可以加速这化学反应加速工具可以加速这一过程一过程 In situ 适应性表格适应性表格(ISAT) 化学反应集聚化学反应集聚 维度削减维度削减化学反应加速工具化学反应加速工具应用实例应用实例Sandia 燃烧燃烧 合成合成PDF 输运输运(16 种反应物种反应物 框架反应机理框架反应机理)固体火箭燃烧室固体火箭燃烧室(RCM-3) 层流有限速率模型层流有限速率模型(8 反应物反应物and 20 反应反应)压力和放热变化压力和

10、放热变化 （IC 引擎）引擎） 层流有限速率模型层流有限速率模型(ERC n-庚烷庚烷 反应机理反应机理: 29 反应物反应物 & 52 反应反应)Cheng & FarmerFluent Sandia 燃烧燃烧EDC 模型模型(16 反应物框架反应机理反应物框架反应机理) FluentExpt.Temperature (K)x/d空气在超过音速下离散空气在超过音速下离散(M 40) 层流有限速率模型层流有限速率模型(Gupta 反应机理反应机理: 11 反应物反应物 & 20 反应反应)应用范围应用范围熔炉熔炉, 锅炉锅炉, 焚化炉焚化炉 (废物燃烧废物燃烧), 燃气发生器燃气发生器 (生成

11、合成气生成合成气)固体燃料燃烧固体燃料燃烧 水分水分灰烬灰烬 挥发挥发烧焦烧焦干燥干燥 液化液化/ 高温分解高温分解气化气化/燃烧燃烧 残留物残留物H2, CH4, CO, CO2, H2O, Tar. 水蒸汽水蒸汽 应用举例应用举例: 科斯塔炉科斯塔炉主进口次级进口第三级进口加压火焰空气(BOFA) 入口空气进口边界主空气进口主空气进口流速流速 = 305.2 ton/h温度温度 = 75oC次级次级+ 第三级空气进口第三级空气进口总流量总流量= 574.8 ton/h次级和第三级流量分布次级和第三级流量分布= 15% - 85%温度温度 = 377oC边界空气进口边界空气进口流速流速 =

12、50 ton/h温度温度= 377oCBOFA 空空气进口气进口流速流速 = 257温度温度 = 377oC壁面壁面温度温度 = 452 K辐射系数辐射系数= 0.6煤煤离散项离散项供给速率供给速率 = 110.2 ton/h 温度温度 = 75oC近似分析近似分析(干燥干燥 重重量百分比量百分比 )灰灰烬烬 = 13.83挥发挥发 = 33.07固定碳固定碳 = 53.10最终分析最终分析(干燥干燥 重量百分比重量百分比%)C碳碳 = 70.91H氢氢 = 4.52N氮氮 = 1.47S硫硫 = 1.39O氧氧 = 7.89总热值总热值28.9 MJ/kg边界条件边界条件案例案例气气-油油I

13、nlet 进口复合物进口复合物 O2 23.3% N2 76.7%氧氧-油油干干-循环循环 O2 23.3% CO2 76.7%湿湿-循环循环 O2 22.3% H2O 13.6% CO2 64.1%模型模型湍流模型湍流模型 Standard k- 反应模型反应模型 离散涡离散涡 2 步反应机理步反应机理辐射模型辐射模型: DO 吸收系数设置为吸收系数设置为WSGGM 包括粒子包括粒子-辐射相互作用辐射相互作用求解设置求解设置温度场温度场空气空气-燃烧燃烧Toutlet = 1458K干干-循环循环Toutlet = 1467K湿湿-循环循环Toutlet = 1421K均包括液体气化和燃烧两

14、个过程均包括液体气化和燃烧两个过程应用案例应用案例内燃机内燃机, 燃气轮机燃气轮机, 液体火箭发动机液体火箭发动机池火池火液体燃料燃烧液体燃料燃烧液体燃料喷射燃烧液体燃料喷射燃烧池火池火1ANSYS Forte 17.0 最新改进最新改进彻底集成到彻底集成到ANSYS统一安装文件中并共用许可证统一安装文件中并共用许可证 通过通过ANSYS用户入口使得用户的服务和支持更加简化用户入口使得用户的服务和支持更加简化通过内燃机流程嵌入到通过内燃机流程嵌入到workbench模块中模块中 从几何模型准备到最终可视化实现自动化流程从几何模型准备到最终可视化实现自动化流程其他在技术、计算稳定性和计算速度方面

15、的提升其他在技术、计算稳定性和计算速度方面的提升 求解器自适应网格求解器自适应网格 可自动计算任意燃料混合条件下的火焰传播速度可自动计算任意燃料混合条件下的火焰传播速度ANSYS Forte 17.0有何改进之处？有何改进之处？Forte 在在WB-ICE中的工作流程中的工作流程 WB中中内燃机内燃机 (Forte) 1. 用DM 或Spaceclaim 处理几何模型2. 创建几何, 定义各个面3. WB-ICE 将会对有需要的边界面进行自动拆分4. WB-ICE将会生成密闭性的表面网格5. Forte 在模拟过程中按需要自动生成动网格CFD-Post 对对 Forte结果的可视化处理结果的可

16、视化处理 包括在包括在WB-ICE中自动生成结果报告中自动生成结果报告Time ANSYS Forte自适应求解器网格自适应求解器网格 在临界时间内更好的控制网格的更新在临界时间内更好的控制网格的更新 在网格尺寸和网格分辨率在网格尺寸和网格分辨率/精度两方面获得更好的平衡精度两方面获得更好的平衡 在有需要时可对局部网格进行更一步的优化在有需要时可对局部网格进行更一步的优化 在适应性方面更加灵活在适应性方面更加灵活: 根据求解的重要性和梯度根据求解的重要性和梯度 根据任意基础的求解变量根据任意基础的求解变量 速度速度, 温度温度, 压力压力, 湍流动能湍流动能, 组分比例组分比例, 等等等等.根

17、据所选择的其他求解变量根据所选择的其他求解变量 E.g., 等值比等值比, 燃料气化比例燃料气化比例绝对取值范围绝对取值范围, 百分比范围百分比范围, 或者标准或者标准偏差偏差腔室中喷射燃烧腔室中喷射燃烧 温度云图温度云图应用举例应用举例: 火焰传播的捕捉火焰传播的捕捉 根据梯度值或求解器先前设定的时间步在每个时间步对动网根据梯度值或求解器先前设定的时间步在每个时间步对动网 格进行优化格进行优化 在火焰传播过程中根据在火焰传播过程中根据 CO2的质量分数进行网格的质量分数进行网格 优化优化 在一个带有孔洞的圆柱形在一个带有孔洞的圆柱形 天然气燃烧室中剖取截面天然气燃烧室中剖取截面 并显示温度云

18、图并显示温度云图 多组分燃料的火焰传播速度多组分燃料的火焰传播速度 数据库可生成有数据库可生成有50种燃料的层流火焰传播速度种燃料的层流火焰传播速度 对所有的燃料组分都将初步计算层流火焰传播速度对所有的燃料组分都将初步计算层流火焰传播速度 采用最新的采用最新的MFL 机理机理 采用采用ANSYS Chemkin 针对引擎中最广泛的所有情况针对引擎中最广泛的所有情况 变等值比, 温度, 压力 Forte中的混合中的混合 用户只需提供燃料组分用户只需提供燃料组分 Forte 自动考虑自动考虑 燃料混合层次和非线性混合的影响燃料混合层次和非线性混合的影响非线性混合验证非线性混合验证对比对比 CHEM

19、KIN 对燃料混合的计算结果对燃料混合的计算结果 大大简化多组分燃料的使用，同时提高了精确性并大大简化多组分燃料的使用，同时提高了精确性并 减少用户可能发现的错误减少用户可能发现的错误采用火焰速度数据库的优势采用火焰速度数据库的优势 燃料数据库考虑了多组分燃料的燃料数据库考虑了多组分燃料的 层化层化, 这对这对GDI非常重要非常重要对所有燃料组分的表现进行了平均对所有燃料组分的表现进行了平均 在实际中各个因素都会在实际中各个因素都会 交叉影响交叉影响 假定个影响因素互相独立假定个影响因素互相独立并建立各并建立各 个因素的幂次关联式个因素的幂次关联式 压力压力 等值比等值比 温度温度 稀释稀释

20、燃料结构燃料结构举例举例: SL 与与 压力压力从从 0 到到 40% EGR*SAE Technical Paper 2016(submitted), Puduppakkam et al.针对针对CHT 模拟的最新优化模拟的最新优化 监控所有的壁面边界的点状监控所有的壁面边界的点状 云图云图 静止或移动静止或移动 (边界移动边界移动) 累计的平均时间将会显示出来累计的平均时间将会显示出来 热流量热流量, 换热系数换热系数,温度温度 采用格式化方法使得在采用格式化方法使得在CFD-Post中查中查 看结果变得更加容易看结果变得更加容易 可以和可以和ANSYFluent 以及以及ANSYS Me

21、chanical进行结合进行结合其他对结果和计算速度的提升其他对结果和计算速度的提升 Forte TKI 模型的提升模型的提升 提升主要是针提升主要是针对高负荷的柴油机对高负荷的柴油机 被一系列被一系列商用柴油机的案例证明和确证商用柴油机的案例证明和确证 针对针对SI 火花火花 & 火焰传播进行了加强火焰传播进行了加强 提升了火焰传播对大规模整体速度的响应提升了火焰传播对大规模整体速度的响应 商业商业NG 引擎供应商的工作结果引擎供应商的工作结果 主要的提升针对于预测多种碗状结构主要的提升针对于预测多种碗状结构& 点火策略点火策略 表现提升表现提升: 与与Forte 40145对比对比, 典型

22、的结果典型的结果: 全循环全循环GDI 工况工况: 减少了减少了20%的解题时间的解题时间11 2015ANSYS, Inc.February 9, 2016总结总结 ANSYS Forte 现在完全整合到现在完全整合到ANSYS 软件汇总软件汇总 安装安装, 注册注册, Workbench, 内燃机工作流程内燃机工作流程, 可视化可视化 17.0的主要新功能的主要新功能 自适应求解器网格的生成自适应求解器网格的生成 建立多达建立多达50种燃料的火焰传播速度数据库，并可自动进行混合种燃料的火焰传播速度数据库，并可自动进行混合 对火花和火焰传播模型进行了提升对火花和火焰传播模型进行了提升 表现表

23、现, 可靠性和精度都进行了全面提升可靠性和精度都进行了全面提升1Fluent R17.0 产品提升产品提升UI设计和操作过程进行简化和更新设计和操作过程进行简化和更新 对图标进行整合，显著显示常用图标和功能对图标进行整合，显著显示常用图标和功能 提升并简化模型显示、数据输出、报告生成等提升并简化模型显示、数据输出、报告生成等计算收敛性、网格更新、求解器等都有所提升计算收敛性、网格更新、求解器等都有所提升其他在技术、计算稳定性和计算速度方面的提升其他在技术、计算稳定性和计算速度方面的提升计算模型方面均有所提升计算模型方面均有所提升 反应流计算的提升反应流计算的提升 湍流模型方面的提升湍流模型方面

24、的提升 ANSYS Fluent 17.0有何改进之处？有何改进之处？2求解器驱动过程求解器驱动过程Ribbon: 与与 各主要各主要workflow 实现交接实现交接Tree: A提供了提供了各种可用模型各种可用模型5图形显示方面的提升图形显示方面的提升 在在 2D and 3D-正交显示正交显示 可使用标尺可使用标尺 坐标轴的转动手柄进行了提升坐标轴的转动手柄进行了提升14收敛性方面的提升收敛性方面的提升 在采用耦合求解器时默认采用较粗略的收敛标准在采用耦合求解器时默认采用较粗略的收敛标准 全面提升收敛性格 对网格质量较差的算例提升尤其明显. 代数多重网格求解器现在自动在线性系统中重新排序

25、代数多重网格求解器现在自动在线性系统中重新排序 可确保多区域网格的计算精确性 可通过(rpsetvar reorder/amg 0)命令取消No reorderingNot converged 200iterationsRCM reorderingConverged in 94 iterations27020406080100120反应流计算方面的提升反应流计算方面的提升 CHEMKIN-CFD 求解器现在无需额外的许可证即可使用求解器现在无需额外的许可证即可使用 与与CHEMKIN 反应机理完美结合反应机理完美结合 CHEMKIN-CFD使得详细的化学反应计算速度提高使得详细的化学反应计算速

26、度提高Chemkin-CFD_DCCR17-DI-CAR17-DIODE_求解迭代_求解30SDES / SBES 湍流模型湍流模型混合混合 RANS-LES 模型相比于模型相比于DDES和和IDDES可提供更好结果可提供更好结果 SDES模型模型 为为DES 模型提供屏蔽功能模型提供屏蔽功能 在网格优化基础上提升屏蔽性能在网格优化基础上提升屏蔽性能 屏蔽功能融入到屏蔽功能融入到LES工况中工况中 对网格的尺度和校准进行提升对网格的尺度和校准进行提升 SBES模型模型 根据根据SDES 屏蔽功能屏蔽功能, 可实现从可实现从RANS模型到模型到LES模型的转换模型的转换 提供屏蔽功能以清楚定义和

27、显示提供屏蔽功能以清楚定义和显示RANS区域和区域和LES区域区域31SBES 应用举例应用举例平均和RMS 速度剖面（SBES 与 DDES十分接近）SBES 与试验结果吻合的更好（对 RMS壁面温度）计算速度计算速度33140,000120,000100,00080,00060,00040,00020,0000024,57649,15273,72898,304122,880147,456Combustor_830M on CRAY XC30核数核数 某类燃烧室某类燃烧室 8亿3千万网格 由ANSYS技术团 对构造 物理特性物理特性 流场 能量 chemic化学反应 无 DPM 无燃烧从从

28、768 到到 129,024 核数（核数（NERSC Edison XC30机群机群）129,024 cores90% efficiency41VOF: 改进的非线性波系理论改进的非线性波系理论 对开口管道流场的对开口管道流场的Fenton波系理论波系理论 提升了对大角度波系的计算精度提升了对大角度波系的计算精度 更好的模拟波系相交于碰撞更好的模拟波系相交于碰撞下页展示案例下页展示案例42自由表面波形与新波系理论计算结果的比较( H/L = 0.12, kA = 0.377)NumericalAnalyticalt = 57s旧旧t = 140st = 200s新新(与理论分析与理论分析结果的

29、对比结果的对比)新波系理论新波系理论49壁面气膜计算方面的提升壁面气膜计算方面的提升 拉格朗日拉格朗日壁面气膜边界条件壁面气膜边界条件可用可用Kuhnke 模型模拟模型模拟Dry-splashregimeFilm-formationregime 欧拉壁面气膜模型现在可支持气膜中气膜材料 不同密度的计算了54设计工具案例设计工具案例: 管道优化管道优化通过优化管道的几何结构，管道中的总通过优化管道的几何结构，管道中的总 压损失将被降到最小压损失将被降到最小 管道需要保持封闭状态，管道的初始形管道需要保持封闭状态，管道的初始形 由输入网格决定，进口和出口位置固定由输入网格决定，进口和出口位置固定 .57WB中的中的Fluent: 工作流程工作流程 当输入网格改变以后中间步骤文件将会自动当输入网格改变以后中间步骤文件将会自动 生成生成 和使用和使用 Fluent 对话框可反复使用以进行参数化研究对话框可反复使用以进行参数化研究 用户可以打开用户可以打开“Reuse Fluent Session for Design Points” 在在WB-Tools-Options-Fluent 设置面板设置面板这项改进将大大方便对设计要求众多的小案例进行参数化的修改这项改进将大大方便对设计要求众多的小案例进行参数化的修改