2003旋流燃烧NO生成的USM湍流反应模型_王方
FLUENT中组分输运及化学反应(燃烧)模拟
©燃烧
计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
燃烧模拟
广泛应用与均相和非均相燃 烧过程模拟
燃烧炉 锅炉 加热器 燃气轮机 火箭发动机 流场流动特性及其混合特 性 温度场 组分浓度场 颗粒和污染物排放
Temperature in a gas furnace
求解内容
缺点:
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
守恒标量 (混合物分数) 模型: PDF 模型
只适应用于非预混 (扩散) 火焰燃烧 假定化学反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. 用化学平衡计算来处理化学反应 (prePDF).
i i ( f , c ) Pf ( f ) Pc ( c )dc df
00
只适合绝热系统（FLUENT V5） Import strained flame calculations
prePDF or Sandia’s OPPDIF code
Single or multiple flamelets
f=1 f=0 f=1
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
系统化学平衡假设
化学反应很快到达平衡. 可以考虑中间组分.
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计算流体与传热传质
热科学与能源工程系 2003年10月
PDF 模拟Turbulence-Chemistry相互作用
Fluctuating mixture fraction is completely defined by its probability density function (PDF).
燃烧学burning-6湍流燃烧简介
∫
w s dT
（ ∂T )1 ∂y
=
Tm − T∞ b
=
Tm − T∞ c1x
λ T = ρ m c p ν T = ρ m c p u ′l = ρ m c p l 2
( Tm − T∞ ) 2
2 c1 x 2
u m −u ∞ b
= c 2ρ m c p xu ∞
湍流燃烧简介-(2)湍流射流扩散火焰 湍流燃烧简介-(2)湍流射流扩散火焰
基本方程
∂ ( ρ ur ) + ∂ ( ρ vr ) = 0 ∂x ∂r ρ u ∂u + ρ v ∂u = 1 ∂ ( rν T ρ ∂u ) ∂x ∂r r ∂r ∂r ∂Ys ∂Ys ∂Ys ρu + ρv = 1 ∂ ( rD T ρ )− ws ∂x ∂r r ∂r ∂r ρ uc p ∂ T + ρ vc p ∂ T = 1 ∂ ( r λ T ∂ T ) + w s Q s ∂x ∂r ∂r r ∂r ν T = D T = λ T /( c p ρ ) = cx 2 ∂ u ∂r
火焰面处 火焰温度
c p ( Tf − T2 ) − Yox ∞ Q ox Yox ∞ θf = = Yox ∞ + β − Yox ∞ Q ox Yox ∞ Q ox Tf = T2 + c p (1+ Yox ∞ / β )
湍流射流扩散火焰( 湍流射流扩散火焰(续2)
不用求解方程, 由一般分析可以证明湍流扩散火焰长度只和 管口半径及环境氧浓度有关, 和速度以及其它因素无关 火焰长度正比于管口半径 火焰长度大致和环境氧浓度成反比
Yox∞ + β + 4) Yox∞
湍流燃烧数值模拟的研究与进展
湍流燃烧数值模拟的研究与进展湍流燃烧是指在燃烧过程中，燃料与氧化剂在湍流的条件下相遇和反应。
湍流燃烧数值模拟是一种通过计算机模拟湍流燃烧过程的方法，可以提供燃烧器内部的流场和温度分布等信息，对于燃烧器的设计和优化具有重要的意义。
本文将对湍流燃烧数值模拟的研究与进展进行探讨。
首先，湍流模型的选择是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
湍流现象十分复杂，需要选择适当的湍流模型来模拟湍流流动。
常用的湍流模型有雷诺平均应力模型(RANS)和大涡模拟(LES)。
RANS是一种将湍流场分为均匀部分和涡旋部分的统计方法，适用于模拟湍流较为稳定的情况；而LES则能模拟较为精细的湍流结构，但计算量较大。
根据具体问题的复杂程度和计算资源的限制，选择适当的湍流模型具有重要意义。
其次，化学反应模型的建立是湍流燃烧数值模拟的另一个关键问题。
燃烧过程中涉及到多种化学反应，需要建立合适的化学反应模型来描述燃烧反应。
常见的化学反应模型有简化化学反应模型和详细化学反应模型。
简化化学反应模型基于简化的反应机理，计算速度较快；而详细化学反应模型则基于包含大量反应步骤的反应机理，计算速度较慢但结果更精确。
根据具体问题的要求和计算资源的限制，选择适合的化学反应模型具有重要意义。
此外，边界条件的设定也是湍流燃烧数值模拟的一个关键问题。
边界条件的合理设定可以保证计算结果的准确性。
常用的边界条件有Inflow Boundary Condition、Outflow Boundary Condition、Wall Boundary Condition等。
对于湍流燃烧数值模拟，还需要考虑湍流场的边界条件，例如由湍流脉动引起的湍流输运方程中的涡粘性项的边界条件等。
最后，计算方法的选择也对湍流燃烧数值模拟的结果和计算速度有着重要的影响。
常用的计算方法有有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)等。
这些方法在计算精度和计算速度方面各有优势，需要根据具体问题的要求选择适当的方法。
湍流燃烧模型-PDF
PDF 模型概率密度函数PDF方法以随机的观点来对待湍流问题，对解决湍流化学反应流的问题具有很强的优势。
在湍流燃烧中存在一些非输运量( 如反应速率, 密度, 温度及气相体积分数等) 的湍流封闭问题。
尽管这些量没有输运方程, 但它们常常是输运变量的已知函数。
平均或者过滤高度非线性的化学反应源项会引起方程的封闭问题。
因此，用PDF的方法来解决这些非输运量的湍流封闭问题显然是一个既简单又直接的途径。
PDF方法是一种较为流行的湍流燃烧模型，能够较为精确的模拟任何详细的化学动力学过程, 适用于预混、非预混和部分预混的任何燃烧问题。
目前, 确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种, 分别称之为输运方程的PDF和简化的PDF。
前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程，通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。
后者假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式, 通过确定其中的一些待定参数来获得输运变量脉动的概率分布。
湍流燃烧中, 后者应用最为普遍和广泛。
在简化的PDF 中, 输运变量脉动的概率密度函数常常采用双 D 分布、截尾高斯分布和B 函数分布等形式。
PDF在理论上可以精确考虑任意详细的化学反应机理，但是其具体求解时需借助其它的模型和算法，而且计算量相对较大。
PDF的方程是由N-S方程推导而来，其中的化学反应源项是封闭的，但压力脉动梯度项以及分子粘性和分子扩散引起的PDF的分子输运项是不封闭的，需要引入模型加以封闭。
例如，在速度- 标量-湍流频率PDF中，必须采用小尺度混合模型、随机速度模型和湍流频率模型加以封闭。
模化后的输运方程难以用有限容积、有限差分和有限元等方法来求解，比较可行的一种方法是蒙特卡洛(MonteCarlo)方法,在该方法中输运方程被转化为拉格朗日(Lagrangian)方程,流体由大量遵循Lagrang ian方程的随机粒子的系统来描述, 最后对粒子作统计平均得到流场物理量和各阶统计矩。
螺旋式旋风分离器气_固两相流的数值模拟
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用, 实验数据不易测量等因素 , 所以关于旋风分离 器的研究至今大多采用经验、 半经验方法. 本文旨在 借助 CFD 商业软件中的 F LU ENT 软件包, 对螺旋 式旋风分离器内部流场进行分析研究, 充分认识其 内部气、 固两相的分布特点, 为以后相关方面的科学 研究提供一定的理论借鉴 .
0
引言
螺旋式旋风分离器是一种已被实验证实高效、 实用、 新颖的除尘设备 , 与传统旋风分离器相比具有 体积小、 高度低、 收尘效率高、 气流阻力低和分离能 力大等优点[ 1] . 因其对颗粒物的分离、 捕集过程是一 复杂的三维、 二相湍流运动 , 并涉及到气- 固相互作
应用 [ J] . 自动化仪表 , 2004, 25( 5) : 13- 17. [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] 李发海 , 王 岩 . 电机与拖动基础 [ M ] . 北京 : 清华大 学 出版社 , 2005. 苏绍禹 . 风力发 电机设 计与运 行维 护 [ M ] . 北京 : 中 国 电力出版社 , 2002. 张国良 , 曾 静 , 柯 熙政 , 邓方 林 . 模糊 控制 及其 M at lab 应用 [ M ] . 西安 : 西安交通大学出版社 , 2002. 叶杭冶 . 风力发 电机组 的控制 技术 [ M ] . 北 京 : 机械 工 业出版社 , 2002. 姚 骏, 廖 勇 . 基 于全模糊控制器的交流励磁发电 机 励磁控制 系 统研 究 [ J] . 中 国 电 机工 程 学报 , 2007, 27 ( 33) : 36- 41. [ 7] 郭洪澈 , 郭庆鼎 . 模 糊控制在大型风力发电机并网控 制 中的应用 [ J] . 节能 , 2002, 12: 41- 43. 作者简介 : 高文元 ( 1949 - ) , 男 , 江苏无 锡人 , 高 级工程 师 ,
煤粉锅炉旋流燃烧器空气动力场的数值模拟_方月兰
煤粉锅炉旋流燃烧器空气动力场的数值模拟方月兰,林阿彪,荆有印(华北电力大学能源与动力工程学院,河北保定071003)摘 要:旋流煤粉燃烧器的气流组织情况对锅炉的稳定燃烧与安全运行都具有重要的影响,文中通过建立物理和数学模型,针对某电厂采用的中心给粉型旋流煤粉燃烧器进行了数值模拟研究,通过调整一次、二次风速和风量大小,得到不同运行工况下的速度流场和速度矢量分布,经分析各计算结果,得出各参量对流场的影响规律。
关键词:煤粉锅炉;旋流燃烧器;空气动力场;数值模拟中图分类号:TK223 文献标识码:A 文章编号:1009-3230(2007)09-0048-03 Numerical Simulation of Aerodynamic Field in the Whirl Burner of a Pulverized Coal Fired BoilerFANG Yue-lan,LI N A-biao,JI NG You-yin(School of Energy and Power Engineering,North China ElectricPower University,Baoding071003,China)Abstract:The whirl burner s air-flow organization is very important for the boiler s stable burning and safe handling.The paper through establishing physical and mathematic model and then makes a numerical simula tion of the whirl burner.Through adjusting the air speed and rate of primary air and overfired air, gets the velocity field and the distribution of velocity vector and analyses the result of the numerical simula-tion and then obtains the rule of different para meter s influence in the flo w field.Key words:Pulverized Coal Fired Boiler;whirl burner;aerodynamic field;numerical simulation0 前言燃烧器是电站锅炉的关键部分,它决定燃料着火和稳燃,它的设计和运行对锅炉的经济性和可靠性起关键的作用。
湍流燃烧模型
而分子导温
系数与分子
运动粘性成
正比，所以
ut / ul ( at / a )1/ 2
(lu / )1/ 2
( du / )1/ 2
Re1/ 2
小尺度强湍流：
ut ul Re
1/ 2
小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅
与可燃混气的物理化学性质有关（即与ul成正比），
而取样分析得到的却是它们的平均值。
• 瞬时值不共存，而平均值共存。
• 因为可能在空间的同一个点，燃料和氧化剂出现
在不同的瞬间，这里起关键作用的是湍流脉动。
• 因此，不可能在不考虑脉动的情况下去分析湍流
扩散火焰。
• 基于这种思想，斯波尔丁在1971年提出了计算
湍流扩散火焰的k-ω-g模型，后来演变成k-ε-g模
− ,
=
. − ,
5-1-3守恒量之间的线性关系
• 通常把满足于无源守恒方程的量称为守恒量，显
然f是一个守恒量。
• 化学元素的质量分数ma、不参与化学反应的物
质(例如不考虑氮的氧化反应体系中的氮气)的质
෨
量分数是守恒量，在一定条件下滞止焓ℎ也是个
守恒量。
• 在一定的条件下，守恒量之间存在着特别简单的
一、湍流火焰的特点
湍流特性参数：
湍流尺度 l ：
在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，
或湍流微团在消失前所经过的平均距离
若 l < （层流焰面厚度）为小
尺度湍流，反之为大尺度湍流
湍流强度 ：
流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。
u u
若 u’ > ul （层流火焰传播速度）
湍流燃烧及其数值模拟
湍流燃烧及其数值模拟研究1. 湍流燃烧1.1湍流燃烧基本概念当流动雷诺数数较小时，由于流体粘性的作用，流体呈层流流态。
当流动的特征雷诺数超过相应的临界值，流动从层流转捩到湍流。
湍流燃烧是指湍流流动中可燃气的燃烧，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。
湍流燃烧实质是湍流，化学反应和传热传质等过程相耦合的结果。
湍流对燃烧的影响与湍流强度和湍流涡旋尺度有关。
小尺度湍流通过湍流扩散使火焰区内的输运效应增加，从而使化学反应速率增加。
但气流脉动不会火焰面产生皱褶，只能把火焰变成波纹状。
大尺度湍流对火焰内部结构没有影响，但使火焰阵面出现皱褶，增加其燃烧面积，造成火焰表现传播速度增加。
当湍流强度及湍流尺度均较大时，火焰前沿不再连续而分裂成四分五裂。
燃烧对湍流的影响主要表现在燃烧释放的热流流团膨胀，影响气体的密度和运动速度，从而影响当地的涡旋，湍流强度和湍流结构。
1.2湍流燃烧分类湍流燃烧按其燃料和氧化剂的初始混合状态可以分类为：湍流非预混燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧。
在湍流非预混燃烧燃料和氧化剂事先是分离的，燃料和氧化剂一边混合一边燃烧，燃烧速率主要受湍流混合过程控制，而在湍流预混燃烧中，燃料和氧化剂在进入核心燃烧区以前已经充分混合，化学反应的速率由火焰前缘从炽热的燃烧区向冷态无反应区的传播所控制。
上面两种燃烧方式是湍流燃烧的两个极限情形，很多情况下两种燃烧模式是并存的，称为部分预混燃烧。
部分预混燃烧可出现在下列情形中叫：(1)在一个完全以非预混燃烧为配置的燃烧装置发牛了局部熄火；(2)当预混火焰前缘穿过非均匀的混气时；(3)射流非预混火焰发生抬举，其根部是一个典型的部分预混火焰。
这三种部分预混燃烧情形涉及了经常受到关注的燃烧研究话题如局部熄火、火焰稳定等，它们对研究湍流燃烧过程的机理有很大意义。
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.湍流是非常复杂的，它包括湍流问题，湍流与燃烧的相互作用，流动参数与化学动力参数之间的耦合机理等问题。