第三讲湍流燃烧模拟课件.ppt
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1、主 要 内 容,第一部分,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的相互关联和相互影响。,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.。,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;化学反应中组份的生成(消耗)率或能量的释放速率是反应物浓度和反应流体温度的强非线性函数;由于湍流影响,化学反应中组份浓度和温度以及化学反应速率都是随时间而脉动的,因此在湍流燃烧的数值模拟
2、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用时平均值表达的反应速率.,火焰正常传播,其中:p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。,火焰传播速度,火焰传播速度,其中:up为火焰前沿法向移动的分速度;un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,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其法线方向上的速度,湍流火焰研究方法,一类
3、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。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,包括几率分布函数输运方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。,分布函数P(f)的概念,间隔t的时间分数,即几率。,处在,范围内的时间,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f随时间脉动而形成的;也称为瞬态质量分数f的几率分布密度,简写为PDF,几率 产生某个值的可能性,Rosin-Rammler分布,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,湍流燃烧模型,湍流燃烧唯象模型,旋涡破
4、碎模型(eddy-break-up model)拉切滑模型(stretch-cut-and-slide model)几率密度函数的输运方程模型-Spalding的ESCIMO湍流燃烧理论,旋涡破碎模型(EBU),Eddy-Break-up(EBU)基本思想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。,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
5、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传播。,拉切滑模型(stretch-cut-and-slide model),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、厚度减小的过程。C,coherence:粘附,描述流体层不愿分离的一种趋势,认为两层流体一旦由于卷吞碰到一起,那么在传输、拉伸和
6、化学反应的过程中都不会分开,它们互相粘附在一起。I,interdiffusion和化学上的interaction: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学反应,把坐标系取在流体层上,与流体一起运动。,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。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,Generalized Finite-Rate Model(通用有限速率模型)Non-Premixed Co
7、mbustion Model(非预混燃烧模型)Premixed Combustion Model(预混燃烧模型)Partially Premixed Combustion Model(部分预混燃烧模型)Composition PDF Transport Combustion Model(组分概率密度输运燃烧模型),有限速率模型,Chemical reaction process described using global mechanism.Transport equations for species are solved.These equations predict local tim
8、e-averaged mass fraction,mj,of each species.Source term(production or consumption)for species j is net reaction rate over all k reactions in mechanism:Rjk(rate of production/consumption of species j in reaction k)is computed to be the smaller of the Arrhenius rate and the mixing or“eddy breakup”rate
9、.Mixing rate related to eddy lifetime,k/.Physical meaning is that reaction is limited by the rate at which turbulence can mix species(nonpremixed)and heat(premixed).,有限速率模型,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。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。有限速率模型适用于预混燃烧、局部预混燃烧和非预混燃烧。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
10、应用。,Generalized Finite Rate Model:Summary,Advantages:Applicable to nonpremixed,partially premixed,and premixed combustionSimple and intuitiveWidely usedDisadvantages:Unreliable when mixing and kinetic time scales are comparable(requires Da 1).No rigorous accounting for turbulence-chemistry interacti
11、onsDifficulty in predicting intermediate species and accounting for dissociation effects.Uncertainty in model constants,especially when applied to multiple reactions.,非预混燃烧模型-PDF Model,Applies to nonpremixed(diffusion)flames onlyAssumes that reaction is mixing-limitedLocal chemical equilibrium condi
12、tions prevail.Composition and properties in each cell defined by extent of turbulent mixing of fuel and oxidizer streams.Reaction mechanism is not explicitly defined by you.Reacting system treated using chemical equilibrium calculations(prePDF).Solves transport equations for mixture fraction and its
13、 variance,rather than species transport equations.Rigorous accounting of turbulence-chemistry interactions.,非预混燃烧模型-PDF模型,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。PDF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PDF来考虑湍流效应。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(即混即燃模型)或化学平衡计算来处理,因此比有限速率模型有更多的优势。应用领域:该模型应用于非预混燃烧(湍流
14、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/固体火箭发动机中的复杂燃烧问题。,Mixture Fraction Definition,The mixture fraction,f,can be written in terms of elemental mass fractions as:where Zk is the elemental mass fraction of some element,k.Subscripts F and O denote fuel and oxidizer inlet stream values,respectively.For simpl
15、e fuel/oxidizer systems,the mixture fraction represents the fuel mass fraction in a computational cell.Mixture fraction is a conserved scalar:Reaction source terms are eliminated from governing transport equations.,Systems That Can be Modeled Using a Single Mixture Fraction,Fuel/air diffusion flame:
16、Diffusion flame with oxygen-enriched inlets:System using multiple fuel inlets:,60%CH4 40%CO,21%O2 79%N2,f=1,f=0,35%O2 65%N2,60%CH4 40%CO,35%O2 65%N2,f=1,f=0,f=0,60%CH4 20%CO 10%C3H8 10%CO2,21%O2 79%N2,f=1,f=0,f=1,60%CH4 20%CO 10%C3H8 10%CO2,PDF Modeling of Turbulence-Chemistry Interaction,Fluctuatin
17、g mixture fraction is completely defined by its probability density function(PDF).p(V),the PDF,represents fraction of sampling time when variable,V,takes a value between V and V+V.p(f)can be used to compute time-averaged values of variables that depend on the mixture fraction,f:Species mole fraction
18、sTemperature,density,PDF Model Flexibility,Nonadiabatic systems:In real problems,with heat loss or gain,local thermo-chemical state must be related to mixture fraction,f,and enthalpy,h.Average quantities now evaluated as a function of mixture fraction,enthalpy(normalized heat loss/gain),and the PDF,
19、p(f).Second conserved scalar:With second scalar in FLUENT,you can model:Two fuel streams with different compositions and single oxidizer stream(visa versa)Nonreacting stream in addition to a fuel and an oxidizerCo-firing a gaseous fuel with another gaseous,liquid,or coal fuelFiring single coal with
20、two off-gases(volatiles and char burnout products)tracked separately,PDF Model:Summary,Advantages:Predicts formation of intermediate species.Accounts for dissociation effects.Accounts for coupling between turbulence and chemistry.Does not require the solution of a large number of species transport e
21、quationsRobust and economicalDisadvantages:System must be near chemical equilibrium locally.Cannot be used for compressible or non-turbulent flows.Not applicable to premixed systems.,Partially Premixed Combustion Model(部分预混燃烧模型),该模型针对预混和非预混燃烧都存在的湍流反应流动。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 Flamel
22、et Model,Temperature,density and species(for adiabatic)specified by two parameters,the mixture fraction and scalar dissipation rateRecall that for the mixture fraction PDF model(adiabatic),thermo-chemical state is function of f onlyc can be related to the local rate of strain,Extension of the mixtur
23、e fraction PDF model to moderate chemical nonequilibriumTurbulent flame modeled as an ensemble of stretched laminar,opposed flow diffusion flames,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。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,在火焰面内以分子扩散和输运过程为主。,Laminar Flamelet Model(2),Statistical distribution of flamelet ensemble is spe
24、cified 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)Only available for adiabatic systems in V5Import strained flame calculationsprePDF or Sandias OPPDIF codeSingle or multiple flameletsSingle:user specified strain,aMultiple:st
25、rained flamelet library,0 a aextinctiona=0 equilibriuma=aextinction is the maximum strain rate before flame extinguishesPossible to model local extinction pockets(e.g.lifted flames),模型的应用,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;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,摄动参量是标量的耗散率;在湍流预混燃烧的层流小火焰模型中,输运方程中无源
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