FLUENT軟件的燃燒模型介紹

2017-01-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

Fluent軟件中包含多種燃燒模型、輻射模型及與燃燒相關(guān)的湍流模型,適用于各種復(fù)雜情況下的燃燒問題,包括固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機中的燃燒過程、燃氣輪機中的燃燒室、民用鍋爐、工業(yè)熔爐及加熱器等。燃燒模型是FLUENT軟件優(yōu)于其它CFD軟件的最主要的特征之一。下面對Fluent軟件的燃燒模型作一簡單介紹:

一、氣相燃燒模型

· 有限速率模型

這種模型求解反應(yīng)物和生成物輸運組分方程,并由用戶來定義化學(xué)反應(yīng)機理。反應(yīng)率作為源項在組分輸運方程中通過阿累紐斯方程或渦耗散模型。有限速率模型適用于預(yù)混燃燒、局部預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒。

應(yīng)用領(lǐng)域:該模型可以模擬大多數(shù)氣相燃燒問題,在航空航天領(lǐng)域的燃燒計算中有廣泛的應(yīng)用。

PDF模型

該模型不求解單個組分輸運方程,但求解混合組分分布的輸運方程。各組分濃度由混合組分分布求得。

PDF模型尤其適合于湍流擴散火焰的模擬和類似的反應(yīng)過程。在該模型中,用概率密度函數(shù)PDF來考慮湍流效應(yīng)。該模型不要求用戶顯式地定義反應(yīng)機理,而是通過火焰面方法(即混即燃模型)或化學(xué)平衡計算來處理,因此比有限速率模型有更多的優(yōu)勢。

應(yīng)用領(lǐng)域:該模型應(yīng)用于非預(yù)混燃燒(湍流擴散火焰),可以用來計算航空發(fā)動機的環(huán)形燃燒室中的燃燒問題及液體/固體火箭發(fā)動機中的復(fù)雜燃燒問題。

非平衡反應(yīng)模型

層流火焰模型是混合組分/PDF模型的進一步發(fā)展,從而用來模擬非平衡火焰燃燒。在模擬富油一側(cè)的火焰時,典型的平衡火焰假設(shè)失效。該模型可以模擬形成Nox的中間產(chǎn)物。

應(yīng)用領(lǐng)域:該模型可以模擬火箭發(fā)動機的燃燒問題和

RAMJET及SCRAMJET的燃燒問題。

預(yù)混燃燒模型

該模型專用于燃燒系統(tǒng)或純預(yù)混的反應(yīng)系統(tǒng)。在此類問題中,充分混合的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物被火焰面隔開。通過求解反應(yīng)過程變量來預(yù)測火焰面的位置。湍流效應(yīng)可以通過層流和湍流火焰速度的關(guān)系來考慮。

應(yīng)用領(lǐng)域:該模型可以用來模擬飛機加力燃燒室中的復(fù)雜流場模擬、氣輪機、天然氣燃爐等。

二、分散相燃燒模型

除了可以模擬各種氣相燃燒問題以外,

FLUENT5還提供了模擬分散相燃燒問題(液體燃料燃燒、噴射燃燒、固體顆粒燃燒等)的燃燒模型:

在拉格朗日坐標(biāo)下,模擬分散相(包括固體顆粒/油滴/氣泡等)在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的運動軌跡

多種球形和非球形粒子的曳力規(guī)律
線性分布或Rosin-Rammler方程的粒子大小分布

連續(xù)相的湍流效應(yīng)對粒子傳播的影響
分散相的加熱/冷卻

液滴的汽化和蒸發(fā)
燃燒粒子,包括油滴的揮發(fā)過程和焦碳的燃燒
連續(xù)相與分散相的耦合

模擬油滴在湍流的影響而產(chǎn)生的擴散效應(yīng)時,

FLUENT可以采用粒子云模型和隨機軌道模型。

隨機軌道模型

該模型利用離散的隨機跟蹤法模擬瞬態(tài)湍流速度脈動對粒子軌跡的影響。

粒子云模型

該模型追蹤粒子平均軌道的粒子云的形成和演化的統(tǒng)計過程。粒子云濃度通過粒子平均軌跡的概率密度函數(shù)來表示。

在FLUENT中,需定義油滴在初始狀態(tài)的位置、速度、尺寸和溫度分布及油滴的物性,根據(jù)這些設(shè)置計算粒子的軌跡和傳熱/傳質(zhì),并可以計算粒子與連續(xù)相的相互影響。FLUENT中還提供了豐富的關(guān)于粒子運動中曳力、汽化、噴射、破碎、碰撞等子模型,供用戶來選擇。計算得到的粒子的軌跡和傳熱傳質(zhì)可以通過圖形界面和文本界面顯示出來。

三、污染模型

NOx模擬

Fluent軟件提供了三種

NOx形成的模型:ThermalNOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。從而可以模擬絕大多數(shù)情況下的NOx生成問題。

煙塵模型(

Soot Model)

Fluent軟件可以考慮單步和兩步的煙塵生成問題。煙塵的燃燒由有限速率模型模擬,并考慮了煙塵對輻射吸收的影響。

四、熱輻射模型

Discrete Transfer Radiation Model (DTRM)

DTRM模型的優(yōu)點是簡單, 且可以適用的計算對象的尺度范圍較大, 其缺點是沒有包含散射和不能計算非灰的輻射。提高模型中射線的數(shù)量可以提高DTRM模型的精度,但計算量也明顯增加。

P-1模型

P-1模型是P-N模型的簡化,適用于大尺度輻射計算。對比DTRM模型,其優(yōu)點在于計算量更小,且包含散射效應(yīng)。當(dāng)燃燒計算域的尺寸比較大時,P-1模型非常有效。另外P-1模型可應(yīng)用在較為復(fù)雜的計算域中。

The Rosseland Model

Rosseland模型是最為簡化的輻射模型,只能應(yīng)用于大尺度輻射計算。其優(yōu)點是速度最快,需要內(nèi)存最少。

Discrete Ordinates (DO) Model

DO模型是所有四種模型是最為復(fù)雜的輻射模型,從小尺度到大尺度輻射計算都適用,且可計算非-灰度輻射和散射效應(yīng),但需要較大計算量。

縱上所述,我們可以看到,無論在模型數(shù)量上,還是在模型先進性上,FLUENT軟件提供了遠遠優(yōu)于其它商用CFD軟件的燃燒模型。例如,在氣相燃燒模型上,Star-CD僅僅提供了傳統(tǒng)的有限速率模型和PDF模型,而缺乏在航空航天領(lǐng)域燃燒問題中應(yīng)用最為重要的非平衡火焰模型和預(yù)混模型;在分散相模型上,與Star-CD相比,Fluent軟件同樣提供了更為豐富、更為先進的物理模型。