第四章-fluent非预混燃烧模型.pptx

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1、三、非预混模型非预混燃烧：燃料和氧化剂以相异流进入反应区。非预混模型假设前提：反应是受混合速率控制，即已经到达化学平衡状态，每个单元内的组分及性质由燃料和氧化剂的湍流混合强度所控制。非预混模型基本思想：（1）热化学减少成单一参数：混合分数f，f表示所有组分中未知燃料流元素（C、H等）的局部质量分数；（2）质量分数是一个守恒的量，控制方程中不含源项，燃烧被简化为一个混合问题。模型：平衡混合分数的PDF模型。（PDF：ProbabilityDensityFunction:概率密度函数）非预混模型概述只适应用于非预混(扩散)火焰燃烧假定化学反

2、应过程受混合速率控制满足局部化学平衡.控制体（计算单元）组分、物性决定于燃料和氧化剂在该处的混合程度.化学反应机理不明确.用化学平衡计算来处理化学反应(PDF表).只求解混合物分数及其方差的输运方程,无需求解组分的输运方程.可以严格考虑湍流与化学反应的相互作用1、非预混模型理论定义混合分数fZi：元素i的质量分数Zi,ox：氧化剂入口处i元素的质量分数Zi,fuel：燃料入口处i元素的质量分数f=0时，已经完全燃烧，f=1时，未开始燃烧。f表示的计算控制容积里燃料的质量分数。非预混模型理论由于湍流的紊态对流通常超过分子扩散，故组分传输方

3、程可以被减少为一个单一的关于混合分数f的方程。平均混合分数脉动值的方程：Sm为液体或固体燃料传入气相中的量；混合分数的优点（1）将化学反应减少为一个或二个守恒的混合分数；（2）所有的热化学标量（组分浓度、密度和温度）均唯一与混合分数有关；（3）给定系统中的化学性质和化学反应，流场中任意一点的混合分数值可用于计算组分浓度、密度和温度值。由f计算组分浓度平衡假设：对于化学平衡来说，为使其总存在分子水平上，化学反应足够迅速，根据最小吉布斯自由能法则，对于某个特定的燃烧系统，一个f值对应着一个确定的组分浓度。平衡假设化学平衡假设化学反应很快到达

4、平衡.可以考虑中间组分.绝热与非绝热选择以下几种情况必须使用非绝热预混模型方法：与壁面有对流或辐射传热入口燃料和氧化剂温度不同有颗粒或液滴存在2、湍流-化学反应相互作用之前模型给出的是混合分数f与组分浓度、密度、温度之间的瞬时关系，对于紊态流动，这些值存在脉动，需要求解的是这些脉动量的时间平均值，也就是解决湍流与化学反应之间的相互作用问题。概率密度函数法（PDF）概率密度函数法-PDF右图表示在时间T内f随时间的脉动值；左图的横坐标p(f)即为概率密度函数，表示流动花在状态f的时间分数；概率密度函数p(f)P(f)描述了湍流中f的瞬时脉

5、动值，因此可以用来计算依赖于f的时间平均值，计算公式为：其中时均值在FLUENT中表示的是组分浓度、密度或温度。P(f)函数分布来源：根据浓度脉动值方面的测量，由实验观察结果得到，主要有两个数学函数，双函数、函数。PDF计算结果PDF计算结果温度和混合分数的关系PDF计算结果组分与混合分数的关系3、非预混模型的使用条件分离的燃料和氧化剂入口的扩散燃烧当使用单一混合时，燃料和氧化剂可以使单质或混合物，可以有多个燃料和氧化剂入口，但各个燃料或氧化剂入口的成分必须相同。单个混合分数模拟系统Fuel/air扩散火焰:多氧化剂入口的扩散火焰:多燃

6、料进口的扩散火焰:非预混模型的使用条件当使用两个混合分数时，可定义：两种不同组分燃料+一种氧化剂流、气液/气煤/液煤混合物+一种氧化剂、两种不同组分氧化剂+一种燃料。必须是湍流非预混模型小结优点:可以计算中间组分.考虑分裂影响.考虑湍流－化学反应之间作用.无需求解组分输运方程（特别是多组分），简化计算量性能好，经济缺点:系统必须满足（靠近）局部平衡.不能用于可压速或非湍流流动.不能用于预混燃烧.4、FLUENT设置步骤1、选择非预混模型2、定义化学模型选择平衡化学模型选择绝热或非绝热定义二次流经验流（一般用于煤粉燃烧，气相燃料不适用）需

7、要输入燃料的低位发热量和比热。FLUENT设置步骤3、定义边界查找需要的物质燃料和氧化剂的化学成分选择需要添加的物质定义温度FLUENT设置步骤4、计算查询表5、显示计算结果煤粉燃烧模拟三种模拟选项：煤作为唯一燃料：使用二混合分数，一个是焦炭100%C(s)，另一个是挥发分；煤作为唯一燃料：使用单混合分数，煤的成分包括焦炭和挥发分；煤和其它燃料（气体或液体）一起使用：使用二混合分数，分别代表两种燃料；两种模拟方法传统方法：选择煤燃烧系统的组分列表（如，C3H8,CH4,CO,CO2,H2O(l),H2O,H2,O，C(s),O2,和N2

8、），还可以选择灰分ash，按照质量分数输入。近似分析重量％kg（DAF）Moles（DAF）摩尔分数（DAF）挥发分C3H8CO固定碳（C(s)）灰3060100.18330.11670.6-0.04170