层流小火焰燃烧模型

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第三章 层流燃烧

第三章 层流燃烧
D
Ys Y D s r y
(5)径向的速度分量等于零,燃料与空气的混合完全是由于扩散引起的。 (6)燃烧按化学计量比进行。以质量为单位的化学反应式为
F g Og (1 )Pg
YF YF F v M F (v F F)
由式(3.1.3)和式(3.1.7)得 (3.1.8)
(3.1.9)
1 1 1 h2 h1 p 2 p1 2 2 1
雨果尼奥(Hugoniot)方程
(3.1.10)
1 p 2 p1 1 1 0 p p - h 1 r 2 2 1 1 2 2 1
2 2
1 p1 1 1 1 p 2 1 p 1 1 2 2 2 2 1
雨果尼奥(Hugoniot)曲线
p2 1 2 M 12 1 p 1 1 1 1 p1 1 1 2 M2 1 p 1 1 2 2
火焰速度与压强之间的关系
1

p n1
p n2
Ti ?
若Ti T 则Sl
分区近似解
Z-F-K两区模型 预热区 燃烧区
dT S l c p Ti T dx 0
d 2T 1Q1 0 2 dx x 0 时 T Ti x 时 T T , dT dx 0 f
d dT dT d 2T 2 2 dx dx dx dx
2Q1 dT d dT 1 dx dx k dx

CFD-多组分与燃烧分析

CFD-多组分与燃烧分析
– 生成新的混合物. – 改变已有混合物的物性/化学反应.
3.Fluent燃烧模型
有限速率模型小节
• 优点:
– 可以应用于nonpremixed, partially premixed和premixed combustion – 简单、直观 – 应用广泛
• 缺点:
– 不适合混合速率与化学反应动力学时间尺度相当时候的化学反应 (要 求 Da >>1).
f=0 f=1
f=0
• 多燃料进口的扩散火焰:
60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
21% O2 79% N2 60% CH4 20% CO 10% C3H8 10% CO2
f=1 f=0 f=1
3.Fluent燃烧模型
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.
Rj Rjk k
• Rjk (第k 个化学反应生成或消耗的j 组分)是根据 Arrhenius速率公 式、混合或涡旋破碎(EBU)速率的小值。.
• 混合速率与涡旋寿命相关, k / .
– 物理意义是湍流涡旋是决定化学反应的首要因素。对于非预混燃烧 ,湍流涡旋决定了组分混合;对于预混燃烧湍流决定了热输运(高 温加热低温)。即:化学反应决定于湍流混合组分(非预混燃烧) 和热量(预混燃烧)的速率。
– 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 (prePDF).
• 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
3.Fluent燃烧模型

Fluent软件的燃烧模型介绍(精)

Fluent软件的燃烧模型介绍(精)

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。

6章30内燃机燃烧模型-2010

6章30内燃机燃烧模型-2010
i i CR
/ d
dW/d
其中,VCR 为环缝的容积。
dQB dT dV dQW dmCR mCV p (h u0 ) d d d d d
燃烧模型
单韦伯公式(燃烧放热百分率) 1 mb 6 .908Biblioteka y m 0 x 1 e y m z
(2)微分模型
通过求解空间平均湍流参数的简化常微分方程来确定这 些湍流参数。 ① 单方程模型。针对求解湍能 k。 ② 双方程模型。求解湍能 k和耗散率ε。
1)代数湍流模型
由现象分析提出的假设:
①火焰的传播首先是由于流场中大的湍流涡团把新鲜混合气 卷入火焰锋面,卷吸速度正比于湍流强度,然后在Taylor微 尺度量级的小涡团内以层流的方式进行燃烧,在此尺度下扩 散过程是分子过程。 ②质量燃烧率正比于涡团对未燃气体的卷吸率。 ③湍流的强度和特征尺度取决于发动机的转速和结构。即湍 流度与转速成正比,积分尺度与气阀升程或点火时燃烧室的 高度成正比。
0

1)混合气准备模型Whitehouse
B — —准备率(蒸发率), R — —反应率 (B R ) d0为预混合燃烧期,燃烧
0

取决于反应率 R 决于蒸发率 B
(B R ) d 0为扩散燃烧期,燃烧取
0

C1 p o 2 exp( C2 / T ) I dx f (C i , ) Gf N T d C5 C4) C G C 4 G ( C1 p u o2 / G f 3 i I
两类方法
① 从物理概念出发的半经验公式:如单韦伯公式 ② 从现象出发的偏重数学技巧的经验公式:如双韦伯公式
(1)零维模型
1) 混合气准备模型Whitehouse 观点

Fluent燃烧模型

Fluent燃烧模型
The Rosseland Model
Rosseland模型是最为简化的辐射模型,只能应用于大尺度辐射计算。其优点是速度最快,需要内存最少。
Discrete Ordinates (DO) Model
DO模型是所有四种模型是最为复杂的辐射模型,从小尺度到大尺度辐射计算都适用,且可计算非-灰度辐射和散射效应,但需要较大计算量。
三、污染模型
NOx模拟
Fluent软件提供了三种NOx形成的模型:Thermal NOx、Prompt NOx和Fuel NOx形成模型。从而可以模拟绝大多数情况下的NOx生成问题。
烟尘模型(Soot Model)
Fluent软件可以考虑单步和两步的烟尘生成问题。烟尘的燃烧由有限速率模型模拟,并考虑了烟尘对辐射吸收的影响。
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。
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:
二、分散相燃烧模型
除了可以模拟各种气相燃烧问题以外,FLUENT5还提供了模拟分散相燃烧问题(液体燃料燃烧、喷射燃烧、固体颗粒燃烧等)的燃烧模型:

非预混层流火焰模型

非预混层流火焰模型
关于混合分数模型的知识请查看第 14.1 节。 14.4.1 简介。
在扩散火焰中,燃料和氧化剂扩散至反应区,遇到活性中心,点火发生。更多 的热和活化中心由此产生,一些扩散出去。在近似平衡火焰中,火化中心和温度浓度增 加,火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短, 当地不平衡性增加。
和混合分数。 是第 I 个 Lewis 数,具体定义在 13.1-4 中。k, c p, i, 和 c p 相应的 是热导率,第 I 种的比热和混和平均比热。Si 是第 I 种物质的反应速率。H * I 是第 I 种物
质的比焓。耗散标量 必须在小火焰中定义。公式 14.4-2 的变形形式在【114】中使用。
(1 4.4.7)
方程 14.4-6 中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。 是 Stefan-Boltzmann 常数,p 是压力,Xi 是第 I 种物质的摩尔分数,a I 是 Planck 平均吸收系数(见【83】)的 多项式系数。Tb 是背景(无穷远处)温度。使用辐射项可以稍为提高准确性,但在低应变 率下会导致发散。因此,使用这一项应该小心谨慎。
平衡方程,解决方法,逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27,51】中找到。
应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰,典型的应变率可以如下定义: a s = v/2 d,v 是燃料和氧 化剂的速度,d 是喷嘴口之间的距离。
替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后,使用 很方便。标量耗散定义如下:
在平衡பைடு நூலகம்预混燃烧模型中,温度的极限为

。对非绝热小火焰模型,
这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。
下限

flamelet燃烧模型简介

flamelet燃烧模型简介

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。

层流燃烧

层流燃烧
• 爆炸极限的近似计算之一——氧原子数
100 xLEL 4.76 N 1 1 400 x UEL 4.76 N 4
• 例:写出乙烷在空气中的爆炸上限和下限
2C2 H6 7O2 4CO2 6H2O
第四节 爆炸极限理论及计算
• 爆炸极限的近似计算之二——完全反应浓度
第一节 层流预混燃烧火焰传播
• 火焰传播速度
• 火焰前沿:已燃区和未燃区的明显分界线,薄薄的 化学反应发光区。 • 火焰位移速度:火焰前沿在未燃混合气中相对于静 止坐标系的前进速度,其法向指向未燃气体。
dn u dt
层流火焰传播速度分析:
Tm
Ti


C
T
x
其主要思想为:若Ⅱ区导出的热量能使未燃混合气温 度上升至着火温度Ti,则火焰就能保持温度的传播。

u u m
2 2 P P 2 2
2
u
2 P P
m
2
P
u
2
m
2

代入动量方程,得
p
m
2

pP
m
2
P
P
pP p 2 2 2 2 2 m P u P u 1 1

上式即为瑞利方程, p 1 在图上是一直线, 斜率为-m2,此直线为瑞利线。在给定的初态p∞和 ρ∞情况下,过程终态pP和ρP间应满足的关系。
A B C D Q
• 当给予反应物A+B活化能E时,它们成为活化状态, 变为生成物C+D,并放出能量W,则反应热Q=W-E • 基本反应浓度n,则单位体积放出能量nW;放出的 能量作为新反应的活化能,α为活化概率,则第二批 单位体积内得到活化的分子数为αnW/E,放出的能 量为αnW2/E
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Examples of CFD calculations based on the flamelet approach are shown for a Diesel engine and for a gas turbine combustor.1 IntrFra bibliotekduction
Technical processes in turbulent combustion are in general subdivided into two classes: premixed or non-premixed combustion. For example, combustion in homogeneous charge, spark-ignition engines occurs under premixed conditions. On the other hand, combustion in a Diesel engine or in furnaces essentially takes place under nonpremixed conditions.
fluctuation
vα = v¯α + v0α :
(1)
This decomposition is then introduced into the Navier-Stokes equations to derive equations The non-linear convective terms in the Navier-Stokes equations are quadratic. Consequently
Slow chemistry is not very often of practical interest: there are a few situations like low NOx burners which operate with strong exhaust gas recirculation and therefore lower temperature where the chemistry is slow compared to turbulent mixing. Also, in the post-flame region of a spark ignition engine NOx production is slow while the temperature field is nearly homogeneous. On the other hand, reacting flows with fast chemistry occur in nearly all the applications mentioned above. The reason is simple: for combustion to be stable and efficient, the temperature must be high and therefore the chemical time scales are short. Therefore engines are designed such that only at
1
premixed
fast chemistry
spark-ignition engines
slow chemistry
NOx formation in post-flame regions
partially and non-premixed Diesel engines gas turbine engines combustion in furnaces
v0αv0βv0γ. The equations for
for the
the unknown correlations triple correlations contain
fourth order correlations and so on. This is called the closure problem of turbulent flow. All these correlations are
Rather than trying to solve the most general problem, classical closure models consider only the first two mo-
Another criterion to classify turbulent combustion is related to the ratio of turbulent to chemical time scales. If turbulence is very intense the turbulent time is likely to be short. Chemical time scales become short if the temperature is high and they become long with decreasing temperature. The case of short turbulent and long chemical time scales is simply called slow chemistry while the case of a comparatively long turbulent and short chemical time scale is called fast chemistry.
moments of the joint probability density function Pvα; vβ; vγ. Although a transport equation for Pvα; vβ; vγ can be derived, its closure is by no means evident.
The Use of Flamelet Models in
CFD-Simulations
N. Peters Institut für Technische Mechanik
RWTH Aachen ERCOFTAC-Centre
Germany
Abstract
The state-of-the-art of combustion models for implementation in CFD codes is reviewed. Existing closure assumptions suffer in general from an insufficient understanding of the principles of closure hypotheses in turbulent flows. It is shown that for fast chemistry not only the chemical source term but also the scalar transport is effected by chemistry. Therefore the gradient transport hypothesis is also not valid for reacting scalars. Models based on pdf transport require in addition a closure for the molecular diffusion term. These may therefore be justified in the limit of slow chemistry only.
Fig. 1 shows a diagram where combustion applications are classified with respect to both criteria mentioned above.
2 Governing Equations
2.1 Principles of Turbulent Modeling and Closure
It is clear, that in addition to premixed and non-premixed combustion, partially premixed combustion plays, at least locally, an important role in technical applications. An important example are modern gas turbine combustion chambers where fuel rich regions are used for flame stabilization but, in order to minimize NOx formation, most of the combustion occurs under premixed fuel lean conditions. Similarly, combustion in direct injection or stratified charge spark-ignition engines occurs under partially premixed conditions.
tfeorrmthseomf tehaenfovramluev0αvvα0β.
ov0αccvu0βrwinhitchheweqilul athtieonnscofonrtav¯iαn.trTiphleerecfoorrreeliattiisoncsonovfethneiefnotrtmo
derive transport equations
low NOx-burners
Figure 1: Classification of combustion applications.
limit conditions, i.e. at very high engine speeds, turbulent time scales may become comparable to chemical time scales.
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