层流小火焰燃烧模型
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Fluent软件的燃烧模型介绍(精)Fluent软件的燃烧模型介绍Fluent软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型,适⽤于各种复杂情况下的燃烧问题,包括固体⽕箭发动机和液体⽕箭发动机中的燃烧过程、燃⽓轮机中的燃烧室、民⽤锅炉、⼯业熔炉及加热器等。
燃烧模型是FLUENT软件优于其它CFD软件的最主要的特征之⼀。
下⾯对Fluent软件的燃烧模型作⼀简单介绍:⼀、⽓相燃烧模型·有限速率模型这种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纽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应⽤。
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。
⾮平衡反应模型层流⽕焰模型是混合组分/PDF模型的进⼀步发展,从⽽⽤来模拟⾮平衡⽕焰燃烧。
在模拟富油⼀侧的⽕焰时,典型的平衡⽕焰假设失效。
该模型可以模拟形成Nox的中间产物。
应⽤领域:该模型可以模拟⽕箭发动机的燃烧问题和RAMJET及SCRAMJET 的燃烧问题。
预混燃烧模型该模型专⽤于燃烧系统或纯预混的反应系统。
在此类问题中,充分混合的反应物和反应产物被⽕焰⾯隔开。
通过求解反应过程变量来预测⽕焰⾯的位置。
湍流效应可以通过层流和湍流⽕焰速度的关系来考虑。
应⽤领域:该模型可以⽤来模拟飞机加⼒燃烧室中的复杂流场模拟、⽓轮机、天然⽓燃炉等。
Flamelet 燃烧模型简介
本文为了更加真实反映燃烧过程和细致观察反应细节,湍流燃烧模型采用有限反应速率的稳态火焰面模型。
火焰面模型认为紊流燃烧是由紊流流动区域内的很薄的局部一维层流小火焰构成的。
火焰结构可以用一个拉伸层流火焰面对系综表示。
Peters 对拉伸层流扩散火焰面的建立了数学物理模型,如公式2、3所示(其中t 是时间;T 是温度;i Y 、i ω和i h 分别是第i 个组分的质量分数、化学反应速率和生成焓;p c 是定压比热;ξ是混合分数;χ是标量耗散率):
假设火焰面达到稳定,解方程2、3可以得到标量(温度、密度或者组分浓度)的显示公式:
,给定ξ和st χ可以预生成一组对应的数据库,计算过程中通过查询和插值得到相应的值,从而大大地提高了计算速度。
对于绝热系统,湍流燃烧场中的标量平均可以通过火焰面的统计平均得到:
(其中由火焰面数据库插值得到,是流场中和的单点联合概率密度函数。
)假设和在统计学上相互独立(,)()()st st f f f ξχξχ=, f 函数采用概率密度函数计算得出。
而对于非绝热系统,还需确定焓的函数。
∑⎰∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡+==j T T j ref j j p j j j j j ref T h dT c m H m H ,)(,0,*
,根据焓值可以计算得出非绝热系
统的平均温度和密度的概率密度函数(PDF)表。
由此求出了紊流燃烧流场中任意位置的平均温度和平均组分等标量。
第一章绪论1.1计算燃烧学的研究对象和目标(1)研究对象:对流体流动、传热传质和燃烧过程进行计算机模拟的基本方程(连续方程、动量方程、能量方程、组分方程)、理论模型(湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项问题)、数值方法(研究体系的网格化、控制方程的离散化和求解方法)计算机程序(计算程序、绘图程序、仿真程序)(2)计算燃烧学的研究目标:构造、检验和发展基本方程及理论模型,提高他们的可靠性、准确性和实用性;改进数值方法,在保证计算精度的同时提高计算速度和经济性;改善绘图及仿真软件,通告速度和直观性;提供“使用方便性”强的计算、绘图及仿真软件,,方便使用。
1.2 计算燃烧学的意义(1)使燃烧上升到系统理论(2)是设计、科研和教学的手段(3)有助于学科发展和开拓新领域1.3计算燃烧学的发展简史燃烧的定义:燃烧室一种带有剧烈放热化学反应的流动现象,它包含着流动、传热、传质和化学对流体流动、传热传质和燃烧过程进行计算机模拟的基本方程(连续方程、动量方程、能量方程、组分方程)理论模型(湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项问题)数值方法(研究体系的网格化、控制方程的离散化和求解方法)计算机程序(计算程序、绘图程序、仿真程序)在科研、工程和教学中的应用反应以及它们之间的相互作用。
实际燃烧过程几乎都是湍流过程。
计算燃烧学特点:(1)兼顾研究理论模型和数值方法(2)及研究理论模型和数值方法,有中式计算机程序的编制和更新。
(3)既重视通用模型、通用方法和通用程序的研究,又重视与实际应用得密切结合。
1.4 内容梗概(1)构造基本方程和理论模型燃烧过程涉及的基本定律:物质不灭定律、牛顿第二定律、能量转换和守恒定律、组分转换和平衡定律等。
控制燃烧过程的基本方程组:连续方程、动量方程、能量方程、组分方程需要模化的分过程有:湍流输运、燃烧、辐射转换、多项流动和燃烧。
(2)数值方法数值方法主要包括:研究体系的网格化、控制方程的离散化、离散化方程的求解方法。