首页/文章/ 详情

非预混燃烧模型模拟甲烷燃烧

2月前浏览1748
正文共:1945字 17图    预计阅读时间:5分钟
1 前言
燃烧是一种复杂的物理过程和化学过程的综合,它既有流动、扩散、混合等物理现象,又有氧化还原反应并放出光和热的化学现象。通常来讲,燃烧可以分为扩散燃烧和预混燃烧,燃料和氧化剂分开独自进入燃烧区域,边燃烧边扩散混合的过程称为扩散燃烧,这种燃烧类型很常见,比如燃气灶、打火机,扩散燃烧相对稳定,好控制,在易燃易爆场合出现泄漏事故时,如果第一时间能点燃形成扩散燃烧,风险相对还小一点;倘若点火之前,燃料和氧化剂已经在分子水平上混合,这种燃烧类型称为预混燃烧,这种燃烧通常会更完全彻底,同时也是相对更危险的,因为所有燃料的浓度都处在燃爆极限范围,很多爆炸事故都属于这种类型,预混燃烧不稳定,不好控制。
燃烧的模拟是一项难度非常大的工作,而且通常都不会很准确,在工程上可能作趋势分析更有意义。各位读者若要进行燃烧模拟,需要对流动(层流&湍流)、传热(包括辐射)、组分输运、甚至相变等基本的模拟要熟悉。在模拟燃烧与化学反应前,我们需要了解一个无量纲数——Damkohlar数(简称Da数),它用来表征化学反应的快慢。Da数等于反应速率与混合速率的比值,或者等于混合时间尺度τF和化学反应时间尺度τC的比值(如下图)。Da数大于1,表征的是快速化学反应,Da数小于,表征的是有限速率(慢速)化学反应,燃烧是一种典型的快速反应。
快速化学反应其化学反应过程受湍流混合过程控制,因此对湍流过程的模拟是快速化学反应模拟的基本前提。慢速化学反应其化学反应过程与湍流相互控制(耦合),因此选择合适的反应机理很重要,比如污染物形成、点火与熄火、化学气相沉积(CVD)等场合。
FLUENT处理燃烧问题,可采用如下五种模型:其中Species Transport(通用有限速率模型)求解反应物和生成物的输运组分方程,并由用户来定义化学反应机理。反应速率作为源项在组分输运方程中通过阿累纽斯(Arrhenius equation)方程或涡耗散模型得到。该模型无论在层流模型还是湍流模型下,都可以选择。剩下的四种专门的燃烧模型,必须启动湍流模型才能选择。接下来,我们会依次对FLUENT的燃烧与化学反应模型进行相应的演示。
今天,我们用非预混燃烧模型来模拟甲烷的燃烧。非预混模型是一种专门针对燃烧问题的快速反应模型,其假设燃烧反应无限快且不可逆,意味着氧化剂和燃料在接触后立即燃烧,其无法模拟燃烧的点火和熄火,不考虑详细的化学反应,前面的详细反应模型才能模拟点火和熄火。该模型不求解单个组分的质量分数输运方程,而是求解混合分数输运方程和一个(或两个)守恒标量的方程,然后从预测的混合分数分布中推导出每一个组分的浓度。该模型通过概率密度函数(PDF)来考虑湍流的影响,燃烧的反应机理则是使用Flame Sheet方法或者化学平衡来计算。该模型中还包含一个层流火焰面(Flamelet)的扩展模型,可以考虑到了在化学平衡状态下的空气动力学分离情况。非预混燃烧模型一般应用于模拟湍流扩散火焰的反应问题,要求整个系统接近化学平衡,为了表征非预混的特性,要求氧化物和燃料以两个(或以上的)进口进入计算区域。
2 建模与网格
创建如下的二维轴对称燃烧器模型,其中心位置为甲烷入口,周围环形为空气入口。划分四边形结构化网格,节点数14820,最小正交质量0.9。
3 边界条件与求解设置
采用二维轴对称(带旋转)模型,该模型还可以考虑旋流,很多燃烧器的空气进气都会考虑一定的旋流以强化混合。
采用默认的SST k-ω湍流模型,非预混燃烧只能用在湍流中。
启用非预混燃烧模型,混合物会自动启用PDF mixture,组分如下图,我们在Boundary面板设置燃料和空气组分,注意要完成PDF表的计算才能进行后续的计算。
空气入口边界设置如下,轴向速度5m/s,旋转速度5m/s,温度300K,Mean Mixture Fraction为0,表示氧化剂入口。
甲烷入口边界设置如下,速度20m/s,温度300K,Mean Mixture Fraction为1,表示燃料入口。
中心线为轴对称边界,壁面为绝热无滑移壁面,出口为压力出口,表压为0Pa,回流Mean Mixture Fraction为0。
按如下值设置亚松驰因子,对于燃烧模拟,减小亚松驰因子是非常有必要的,是改善收敛效果的最佳手段。
稳态求解。
4 计算结果
迭代残差曲线如下,收敛效果很好。
除了残差曲线,能量和质量守恒检查是燃烧问题模拟收敛判据的重要部分。
能量报表如下,对于燃烧问题,由于燃烧热的存在,采用Total Sensible Heat Transfer Rate对总能量流进行积分。
质量报表如下,不平衡率很小。
燃烧腔内的温度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、水蒸气浓度、二氧化碳浓度如下图,可以看出出口还有不少的甲烷没有完全燃烧生成CO2。
来源:仿真与工程
ACTFluent燃烧化学组分输运湍流通用爆炸
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-12-09
最近编辑:2月前
余花生
签名征集中
获赞 136粉丝 214文章 268课程 0
点赞
收藏
未登录
还没有评论

课程
培训
服务
行家

VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈