FLUENT軟件的燃燒模型介紹

2017-01-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

Fluent軟件中包含多種燃燒模型、輻射模型及與燃燒相關的湍流模型,適用于各種復雜情況下的燃燒問題,包括固體火箭發動機和液體火箭發動機中的燃燒過程、燃氣輪機中的燃燒室、民用鍋爐、工業熔爐及加熱器等。燃燒模型是FLUENT軟件優于其它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

這種模型求解反應物和生成物輸運組分方程,并由用戶來定義化學反應機理。反應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混燃燒、局部預混燃燒和非預混燃燒。

應用領域:該模型可以模擬大多數氣相燃燒問題,在航空航天領域的燃燒計算中有廣泛的應用。

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過程。在該模型中,用概率密度函數PDF來考慮湍流效應。該模型不要求用戶顯式地定義反應機理,而是通過火焰面方法(即混即燃模型)或化學平衡計算來處理,因此比有限速率模型有更多的優勢。

應用領域:該模型應用于非預混燃燒(湍流擴散火焰),可以用來計算航空發動機的環形燃燒室中的燃燒問題及液體/固體火箭發動機中的復雜燃燒問題。

非平衡反應模型

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

應用領域:該模型可以模擬火箭發動機的燃燒問題和

RAMJET及SCRAMJET的燃燒問題。

預混燃燒模型

該模型專用于燃燒系統或純預混的反應系統。在此類問題中,充分混合的反應物和反應產物被火焰面隔開。通過求解反應過程變量來預測火焰面的位置。湍流效應可以通過層流和湍流火焰速度的關系來考慮。

應用領域:該模型可以用來模擬飛機加力燃燒室中的復雜流場模擬、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:

在拉格朗日坐標下,模擬分散相(包括固體顆粒/油滴/氣泡等)在瞬態和穩態下的運動軌跡

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

連續相的湍流效應對粒子傳播的影響
分散相的加熱/冷卻

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

模擬油滴在湍流的影響而產生的擴散效應時,

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計過程。粒子云濃度通過粒子平均軌跡的概率密度函數來表示。

在FLUENT中,需定義油滴在初始狀態的位置、速度、尺寸和溫度分布及油滴的物性,根據這些設置計算粒子的軌跡和傳熱/傳質,并可以計算粒子與連續相的相互影響。FLUENT中還提供了豐富的關于粒子運動中曳力、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,其優點在于計算量更小,且包含散射效應。當燃燒計算域的尺寸比較大時,P-1模型非常有效。另外P-1模型可應用在較為復雜的計算域中。

The Rosseland Model

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

Discrete Ordinates (DO) Model

DO模型是所有四種模型是最為復雜的輻射模型,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,但需要較大計算量。

縱上所述,我們可以看到,無論在模型數量上,還是在模型先進性上,FLUENT軟件提供了遠遠優于其它商用CFD軟件的燃燒模型。例如,在氣相燃燒模型上,Star-CD僅僅提供了傳統的有限速率模型和PDF模型,而缺乏在航空航天領域燃燒問題中應用最為重要的非平衡火焰模型和預混模型;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。