ISAT在预混气多孔介质中燃烧的应用

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：094011ISAT在预混气多孔介质中燃烧的应用徐有宁1，史俊瑞1，解茂昭2，马金凤1，李洪涛1(1.沈阳工程学院沈阳市循环流化床燃烧技术重点试验室沈阳1101362.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024）（Tel：024-31975534，Email：tigeryear26@yahoo.com.cn）摘要考虑详细化学反应机理，通过非适应自动列表法（ISAT）在预混气体多孔介质中燃烧模拟中的应用，讨论了ISAT的性能。结果显示，ISAT可显著减少化学反应的计算时间，并能够有效地控制总体误差；

2、与直接积分法和实验值相比，ISAT能够提供足够的精度。关键词:非适应自动列表；多孔介质；预混燃烧0引言准确预测预混气体多孔介质中燃烧的放热率、组分分布和燃烧温度等，使用详细化学反应机理是非常必要的[1]。但气体燃料的详细化学反应机理包括几十种组分、几百甚至上千个基元反应。求解气体组分方程、能量方程需要与化学动力学耦合求解，其中多维化学反应求解需消耗大量CPU时间。因此，在使用详细化学反应机理计算预混气体多孔介质燃烧时，为了控制计算成本，绝大多数研究者采用一维稳态模型[1]。为了能够在使用详细反应机理的同时减少计算时间，目前解决化学反应计算量过大

3、的方法有并行计算[2]和加速化学反应动力学计算速度两种方法。其中Pope[3]于1997年提出的当地自适应列表方法（insituAdaptiveTabulation,简称ISAT）具有较高的存储/提取效率、近似误差动态控制等优点，在众多的加速方法中具有较大的优越性[4-5]。国内也开展了ISAT方面的研究。贾明等[6]研究了ISAT在多维内燃机反应动力学中的应用。结果表明，在容差为0.001时，ISAT加速算法所用时间为直接积分（DirectIntegration,简称DI）的1/14.9，大大地节省了计算时间。陈华蕾等[7]研究了ISAT在射

4、流火焰PDF计算方法中的应用。董刚等[8]用ISAT计算了激波诱导火焰失稳的非稳态过程，其总体计算时间比直接积分法减少了2.53倍。据笔者了解，国内目前还没有ISAT在预混气体多孔介质中应用的研究。本文利用ISAT加速预混气体多孔介质燃烧的计算速度,讨论了ISAT的基本性能，为ISAT在多维和非稳态计算预混气体多孔介质中燃烧奠定基础。1物理模型基金项目：辽宁省博士启动基金（20081073），国家自然科学基金资助项目（50476073），辽宁省教育厅科学研究计划资助（2008491）真实的实验装置如图1所示。图1为两层多孔介质燃烧器，在燃烧器中

5、布置了不图1燃烧器及多孔介质布置示意图同的多孔介质，分别为火焰扩散层和支持层。考虑到实验中燃烧器良好的绝热，采用一维模型进行模拟。为了简化起见，作如下假设：多孔介质为各向同性的、惰性的光学厚介质；混合气为理想气体，气体在多孔介质中的流动为层流；多孔介质的孔隙率较大，忽略气体通过多孔介质填充床的压力降。基于上述假设，则控制方程为：连续方程：(1)气体组分方程：(2)混合气体能量方程：(3)多孔介质能量方程：(4)理想气体状态方程：(5)式中是多孔介质孔隙率，分别为气体混合物的密度和流速。分别为气体混合物中第i种组分的质量分数、反应速率、分子量和扩

6、散系数。分别为混合气体和第i种组分的比热容，是多孔介质导热系数[9]。是氧化铝－氧化锆的辐射折合导热系数，由Rosseland简化模型得出其表达式：，为常数，是多孔介质的衰减系数，由文献估算。是气固相间的对流换热系数，由于缺乏泡沫氧化铝－氧化锆多孔介质的实验数据，利用网状的氧化铝泡沫来代替。是大气压力，在计算中保持不变，R为气体通用常数。2数值计算本文对预混气体多孔介质中的燃烧进行了模拟，反应机理采用GRI2.11。该机理包括32种组分和177个反应。计算中所采用的模型是实验装置简化而来的，如图1所示。计算中模型简化为一维稳态模型。Fluent

7、中的多孔介质模型为单温模型，本文通过Fluent提供的自定义函数和标量方程，将单温模型改进为双温模型。为了模拟点火过程，在火焰扩散层和支持层处设置了2000K的高温区域。本文没有考虑通过燃烧器壁面的热损失。由于燃烧器出口的温度较高，本文通过自定义函数，考虑了通过燃烧器出口的热损失。3当地自适应列表方法化学反应动力学计算中需要求解受化学反应影响的组分方程和能量方程。如使用燃料的详细反应机理，则组分方程和能量守恒方程是一个典型的刚性方程组。直接求解化学反应源项将消耗大量的CPU时间。为了节省计算时间，ISAT采用动态存储/取回法，将计算中的化学反应

8、项存入表中，在满足精度要求的条件下，通过从表中查出和取回相近的数据来替代后来的计算过程，如果不满足精度要求，ISAT则要追加表项，这一过程称为增长操作