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FLUENT非预混燃烧模型

《数值计算与工程仿真》专刊—FLUENT HELP 算例精选中文版（二）
算例 13
引言
使用非预混燃烧模型
煤粉燃烧的模拟包括气相连续流场的建模和它与煤粒非连续相的作用的建模。穿过气体的煤粒会挥发燃烧并成为与气相反应的燃料源。反应可以用组份输运模型（the species transport）或模型（the non-premixed combustion）模拟，在本指南中你将用非预混燃烧模型模拟简单煤粉燃烧炉中的化学反应。在本指南中你将学会： 1.怎样用 prePDF 预处理程序为煤粉燃料准备 PDF 表格。 2.怎样为非预混燃烧化学模型定义输入条件。 3.怎样定义煤粒的非连续相。 4.怎样解决包含非连续相煤粒的反应的模拟。非预混燃烧模型用这样的一种建模方法：用一个或二个守恒量，即混合分数求解输运方程。多种化学组份，包括基团和中间产物组份可能被包含在对问题的定义当中，而且它们的浓度将来至于混合分数分布的预测。组份的特性参数是通过化学数据库获得。湍流化学反应是用 Beta 或者双 delta 概率密度函数来模拟的。关于非预混燃烧模拟方法的更多细节请参看使用手册。
前提条件
本指南是建立在你已经熟悉 FLUENT 的菜单结构并且已经做完指南 1 的基础上的。因此在建立过程中的一些步骤和解决过程将被省略。
问题描述
本指南中用的煤燃烧系统为一简单的 10m*1m 的二维管道，如图 13.1 所示。因为是对称的，所以只模拟宽度方向上的一半区域。2D 管道的进口分为两股流动。管道中心附近的高速流速度为 50m/s，宽度为 0.125m。另一股流的速度为 15m/s，宽度为 0.375m.两股流都为 1500K 的空气。煤粒在高速流的附近以 0.1kg/s
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（炉膛中的总流量为 0.2kg/s）的质量流量进入炉膛。管壁的温度为常数 1200K。在进口尺寸和平均入口速度有关的雷诺数大约为 1000000，所以，流动为湍流。关于煤的成分的祥细资料和粒径分布在第五步：Models:连续相（气）和第八步： Materials:非连续相中介绍。
图 13.1：两维煤粉燃烧炉
prePDF 的准备
1. 打开 prePDF 当用非预混燃烧模型时，你需要用预处理程序 prePDF 准备一份 PDF 文档。 PDF 文档包含混合分数的浓度和温度值相关的信息。在 FLUENT 解决问题的过程中将需要用到这些信息。
第一步：在 prePDF 中定义初步的绝热系统
1.定义 prePDF 模型类型你可以定义一个单一的燃料流，也可以定义一个燃料流加上一个二次流。
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定义二次流能够让你跟踪到两股混合分数。对于煤燃烧，这样做可以使你跟踪从碳（燃料流）分离出来的挥发份物质（二次流）。在本指南中，我们不采用这种方法。我们用单一的混合分数来模拟煤。 Setup Case...
(a)在 Heat transfer options 下保持 Adiabatic 的默认设置本指南中研究的煤燃烧器是非绝热系统，燃烧器壁上有热量的传递，还有热量从气体传到煤粒。在 prePDF 中，我们必须考虑成非绝热系统。因为非绝热系统的计算比绝热系统要耗时，因此在一开始设置 prePDF 时可以将结果考虑成绝热系统。通过计算绝热系统的 PDF 化学反应结果，你可以选取适当的系统参数以便让非绝热系统的计算更高效。特别地，绝热计算可以提供绝热火焰温度的信息、符合化学当量比的混合分数和个体成分对化学系统的
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重要性。在所有最终需要非绝热系统模型的 PDF 计算中都将采用以绝热系统计算为开端的方法。 (b)在 Chemistry models 下，保持 Equilibrium Chemistry 的默认设置在所有的基于 PDF 的模拟中，一般推荐选择 Equilibrium Chemistry ， Stoichiometric Reaction 选项计算不多但是一般不怎么准确。Laminar Flamelets 选项提供了包括空气动力张力引起的非平衡效应，例如超平衡的基团浓度和亚平衡的温度。这对于预测 NOx 是非常重要的，但这里不包括。 (c)保持 PDF models 的默认值不变。 Beta PDF 因为比 Delta PDF 要准确因此常被推荐使用。 (d)在 Empirically Defined Streams 下选中 Fuel stream 选项。这将允许你用经验输入选项定义燃料流。经验输入选项允许你在 H，C，N 和 O 的原子分数方面定义燃料的成分，还可以定义低位热值和燃料的热值。在元素分析和燃料热值已知的情况下，这是一个很有用的选项。 (e)点击 apply，关闭面板。 2.在系统中定义化学物质。选择何种物质应该根据燃料类型和燃烧系统来确定。在 FLUENT 的使用手册中提供了选择的原则。在这里，你可以假定平衡系统由 13 种物质组成：C， C(s)，CH4，CO，CO2，H，H2，H2O，N，N2，O，O2，和 OH. C，H，O，和 N 包含其中是因为燃料流需要根据经验输入方法用这些原子所占的百分数来定义。
! You should include both C and C(S) in the system when the empirical input option is used. Setup Species Define...
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(a)Maximum # of Species 的值设定为 13。用上下箭头设定物质的最大值，也可以在后的文本框里输入值。 (b)在 Defined Species 栏中选择最上面的物质（最初是 undefined）. (c)在 Database Species 向下栏中选择 C，在 Defined Species 栏中输入处将显示 C (d)在 Defined Species 栏中选择下一种物质（或者把 species#的数值增加到 2）。 (e)在 Database Species 的向下栏中滚动，选择下一种物质（C(S)）. (f)重复(d)到(e)直到全部 13 种物质都被定义。 (g)点击 apply，关闭面板。注意：在其他的燃烧系统中，你也许想加入一些其他的化学物质，但不可以加一些不活泼的化学组份，如 NOx 等。
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3. 确定燃料成分的输入。燃料是已知的，工业分析如下：28%挥发份，64%碳，8%灰份。你可以用这些数据和燃料的元素分析数据在 PDF 中确定燃料的成分。燃料流的成分（碳和挥发份）如下：转换为干燥无灰基： Proximate Analysis Wt % Wt % (dry) (DAF) Volatiles Char (C(s)) Ash 干燥无灰基的元素分析如下： Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 1.5 0.8 28 64 8 30.4 69.6 -
为了简化模型，煤中的含硫量可以用含氮量（质量分数）来综合考虑，如下： Element Wt % (DAF) C H O 89.3 5.0 3.4
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N S
2.3 -
我们还可以将最近的元素分析数据转换成下面的挥发份流的元素组成： Element Wt % Moles Mole Fraction C H O N Total 89.3 5.0 3.4 2.3 7.44 5 0.21 0.16 12.81 0.581 0.390 0.016 0.013
为了祥细说明燃料的成分，你还可以在最后的栏中输入摩尔分数。prePDF 可以用这些数据和煤的热值来确定燃料中的组份。煤的低位发热量(DAF)如下： LCVcoal.DAF=35.3MJ/kg 煤的精确热值和密度分别为 1000J/kg-K 和 1kg/m3. 4.输入燃料和氧化剂的成分。 Setup Species Composition...
(a) 激活氧化剂流成分的输入框。氧化剂的体积组成为：21%O2 和 79%N2
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i. 在 stream 下选择 Oxidiser. ii. 在 Specify Composition In 下，保持 Mole Fractions 的默认选择不变。 iii. 在 Defined Species 列表中选择 O2，在 Species Fraction 框中输入 0.21。 iv. 在 Defined Species 列表中选择 N2，在 Species Fraction 框中输入 0.79 (b) 激活燃料流成分的输入框。注意：因为经验输入选项对于燃料流来说是激活了的，所以你会被提示要求输入 C，H，O，N 的原子质量分数，煤的热值等。
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i. ii. iii. iv. v. vi. vii. viii.
在 Stream 下，选择 Fuel. 在 Specify Composition In 下，保持 Mole Fractions 的默认选择不变。在 Defined Species 列表中选 C，并在 Atom Fraction 框中输入 0.581。在 Defined Species 列表中选择 H，并在 Atom Fraction 框中输入 0.390 在 Defined Species 列表中选择 N，并在 Atom Fraction 框中输入 0.016。在 Defined Species 列表中选择 O，并在 Atom Fraction 框中输入 0.013。 Lower Caloric Value 的值输入为 3.53e+07j/kg，Specific Heat 的值输入为 1000j/kg-K. 点击 apply，关闭面板。
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5.定义固体碳的密度。在这儿假定值为 1300kg/m3. Setup Species Density...
(a) 在 Defined Species 列表中选择 C(s). (b) 设定密度值为 1300. (c) 点击 apply，并关闭面板。注意： prePDF 在燃料的混合物的密度计算中将一直用到这些数据。你必须输入固定碳的密度，这密度值不同于在 FLUENT 中定义的含灰煤粒的表观密度值。 6.定义系统运行条件。在化学平衡计算中，系统压力和进口流的温度是必须的。煤燃烧的燃料流的进口温度应该是液化作用开始时的温度。氧化剂的进口温度应该对应于空气的进口温度。在本指南中，煤的液化温度设定为 400K，空气的进口温度为 1500K. 系统压力为一个大气压。 Setup Operating Conditions...
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(a) 为 Fuel 和 Oxidiser 的进口温度分别设定为 400K，1500K. (b) 点击 apply，关闭面板。
第二步：计算和回顾绝热系统的 prePDF 查寻表。
1. 保持 PDF 解决方案的默认参数值。 Setup Solution Parameters...
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用 PDF 做的查寻表格的计算会为离散混合物部分的物质分子质量分数和温度在一表格中给出其计算的结果值。你可以用 Solution Parameters 来控制这些离散点的值和分布。你也可以在这面板中对 Fuel Rich Flamability Limit 进行设置。 Fuel Rich Flamability Limit 选项允许你在当混合分数超出定义的充足限制的时侯进行部分平衡计算和悬浮平衡计算。允许你在燃料充足的地方通过旁路来进行复杂的平衡计算，这可以提高 PDF 计算的效率，并且比全部都假设为平衡要实际得多。在用经验定义流动的时侯，一般充足限制的值为 1.0 且不能改动。 (a)保持 Automatic Distribution 的默认设置不变。这部分将允许你通过优化离散混合分数值的分布情况和使之集中在绝热火焰温度附近来提高 prePDF 的预测。如果你选择不用 Automatic Distribution 那么你需要设置分布中心点在化学当量比尺度混合分数的富集一侧。 (b) 点击 apply，并关闭面板。 2. 保存输入值(coal_ad.inp). File Write Input... 3. 绝热系统的化学反应的计算。 Calculate PDF Table 在计算中，prePDF 首先从数据库中找到热力学数据。然后在分散相混合分数/混合分数变化点（在 Solution Parameters 面板中定义的 21 处）的温度、成份
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和密度的时间平均值被计算。计算结果是一组表格。包含这两个参数在每个离散值的组份摩尔分数、密度和温度的时间平均值。prePDF 将在控制窗口中报告查寻表格的建立过程。当计算完成后，prePDF 将通知你燃料入口的平衡计算已经结束。在预知的平衡条件不影响你的建模输入的时侯，除非燃料流为气体燃料入口，那么你都可以简单地承认通知。
4. 保存绝热的 PDF 文件（coal_ad.pdf） File Write PDF... (a) 在文件类型下面，选择 Write Formatted File 当你写入一个 PDF 文件时，PDF 将默认地保存一个二进制文件。如果你是在一台机器上用 PDF 文件，那么你可以用默认的 Write Binary File 选项来保存文件。但是，如果在不同的机器上用 PDF 文件的话，你就应该为 PDF 文件保存一个 ASC11 文件（格式化的）。应该注意到它将比二进制文件占用更多的硬盘空间。 (b) 在 Solver 下选择 FLUENT6。 (c) 为 Pdf File 命名为 coal_ad.pdf. (d) 点击 OK 写入文件。 5. 检查绝热系统中的温度和混合分数的关系。绝热系统的计算结果提供了一些参考。这些参考针对将在非绝热计算中用到的系统。 Display PDF Table...
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(a)在 Plot Variable 列表中选择 TEMPERATURE，点击 Display 一生成表格（图 13.2）。温度显示表明了时间平均系统温度是怎样随着平均混合分数以及它的变化而变化的。温度和混合分数的关系表明了当燃料混合分数大约为 0.1 的时侯火焰的最高温度大约为 2750K。这最好温度是由于燃烧空气的高温预热造成的。注意：在绝热系统计算中报告的最高绝热温度将用来作为选择非绝热系统计算中的最高温度的参考。
图 13.2：时间平均温度：绝热的 prePDF 计算
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第三步：创建和计算非绝热 prePDF 系统。
创检一个非绝热 prePDF 系统需要你做以下的：重新定义一个非绝热系统。设定系统峰值温度（建立在 2750K 的绝热结果上的）。在这些修改之后，你还要重新计算系统化学反应和保存一个在 FLUENT 中用的非绝热 PDF 文件。 1. 定义非绝热的 prePDF 模型类型。 Setup Case...
(a) 在 Heat transfer options 下选择 Non-Adiabatic，点击 apply. 2.设定系统温度限制。
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当 PDF 计算为非绝热的时侯，系统的最低和最高温度是必须的。最低温度应该比最低边界条件温度值（例如入口温度或者墙壁温度）要低几度。在煤燃烧系统中，最低系统温度应该也要设定得比挥发份开始从煤中挥发的温度低。在这儿，液化作用开始时汽化的温度设定为 400K.因此，系统的最低温度设定为 298K（默认值）。最高温度至少应该比在先前绝热计算中所得的峰值温度高 100K。这儿，最高温度选取为 3000K，适当地高出绝热系统的峰值温度 2750K。 Setup Operating Conditions...
(a) 为 Min. Temperature 的值输入 298，为 Max. Temperature 的值输入 3000。
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(b) 点击 apply，并关闭面板。
3.保存非绝热系统的输入值（coal.inp）。 File Write Input... 4.非绝热 PDF 查寻表格的计算。 Calculate PDF Table 非绝热的 prePDF 计算要比绝热计算多出很多。prePDF 首先要去数据库中访问热力学数据。接着，焓表会被初始化，焓值的栅格将做适当的调整以适合解决入口条件和求解参数。然后，然后在分散相混合分数/混合分数变化点（在 Solution Parameters 面板中定义的 21 处）的温度、成份和密度的时间平均值被计算。计算结果是一组表格。包含这三个参数在每个离散值的组份摩尔分数、密度和温度的时间平均值。当计算完成后，prePDF 会警告说燃料入口的平衡计算已经做完。当你在对煤或者是液体燃料建模的时侯，你可以简单地答复这警告，这对你的输入没有影响。
5.写 PDF 的输出文件(coal.pdf)。 File Write PDF...
(a) 在 File Type 下选择 Write Formatted File. (b) 在 Solver 下选择 FLUENT6。 (c) 为 Pdf File 命名为 coal.pdf。 (d) 点击 OK 以写入文件。 6. 回顾一部分 prePDF 准备的 3D 的查寻表。 Display Nonadiabatic Table...
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(a)在 Plot Variable 向下列表中选择 TEMPERATURE，点击 Display(图 13.3)。注意：对 3D 查寻表的回顾是一部分一部分的进行的。在默认情况下，被选中部分是与绝热焓值相对应的。这显示看起来与在绝热计算中创建的查寻表很相似。你也可以选择连续焓值的其他部分来显示。
图 13.3：根据绝热焓得到的非绝热的温度表
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7.在非绝热系统中检查物质和混合分数的关系。 Display Nonadiabatic Table...
(a) 从 Plot Variable 向下列表中选择 SPECIES，这将自动打开 Species Selection 面板。 (b) 在 Species Selection 面板中，在 Species 向下列表中选择 C(s)，并点击 OK。
(c) 在 Nonadiabatic-Table 面板点击 Display，以生成表格（图 13.4）。 7. 按照上面的操作显示 CO 的瞬时分子质量分数（图 13.5）。
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图 13.4：时间平均 C（S）的摩尔分数：非绝热的 prePDF 计算
图 13.5：时间平均 CO 的摩尔分数：非绝热的 prePDF 计算
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