Модели горения для CFD - Combustion models for CFD

Модели горения для CFD относится к моделям горения для вычислительная гидродинамика. Горение определяется как химическая реакция, в которой углеводородное топливо реагирует с окислителем с образованием продуктов, сопровождающихся выделением энергии в виде тепла. Являясь неотъемлемой частью различных инженерных приложений, таких как: двигатель внутреннего сгорания, авиационные двигатели, ракетные двигатели, печи, и камеры сгорания электростанций, горение проявляется как широкая область на этапах проектирования, анализа и эксплуатационных характеристик вышеупомянутых приложений.[1] С учетом дополнительной сложности химической кинетики и достижения среды реагирующей смеси потоков во время вычислительная гидродинамика (CFD) моделирование горения. Следовательно, нижеследующее обсуждение представляет общий план различных адекватных моделей, включенных в вычислительный гидродинамический код для моделирования процесса горения.[2]

Обзор

Вычислительное гидродинамическое моделирование горения требует правильного выбора и реализации модели, подходящей для точного представления сложных физических и химических явлений, связанных с любым процессом горения. Модель должна быть достаточно компетентной, чтобы предоставлять информацию, касающуюся концентрации компонентов, их объемной скорости образования или разрушения и изменений в параметрах системы, таких как энтальпия, температура и плотность смеси. Модель должна быть способна решать общие уравнения переноса для потока жидкости и теплопередачи, а также дополнительные уравнения химии горения и химическая кинетика включены в это в соответствии с желаемой имитационной средой[1]

Важнейшие аспекты явления горения

Основное внимание во время любого общего процесса сгорания включает шкалу времени перемешивания и шкалу времени реакции, прошедшую для процесса. Также необходимо учитывать тип пламени и тип смешивания потоков компонентов. Помимо того, что касается кинетической сложности реакции, реакция протекает в несколько стадий, и то, что выглядит как простая однопроводная реакция, фактически завершается после серии реакций.[1][2] Также должны быть решены уравнения переноса для массовых долей всех частиц, а также энтальпии, образующейся во время реакции. Следовательно, даже простейшая реакция горения требует очень утомительного и строгого расчета, если все промежуточные этапы процесса горения, все уравнения переноса и все уравнения потока должны выполняться одновременно. Все эти факторы будут иметь значительное влияние на скорость вычислений и время моделирования. Но при надлежащих упрощающих допущениях. Вычислительное гидродинамическое моделирование реакции горения может быть выполнено без существенного ущерба для точности и сходимости решения.[2] Основные модели, используемые для того же, описаны в следующих параграфах.

Простая модель системы химической реакции

Основная статья: Простая система химической реакции

Эта модель принимает во внимание только конечную концентрацию компонентов и учитывает только глобальный характер процесса горения, при котором реакция протекает бесконечно быстро как одностадийный процесс без особого внимания к детальной кинетике.[1]

Предполагается, что реагенты реагируют в стехиометрический пропорции. Модель также выводит линейную зависимость между массовыми долями топлива, окислителя и безразмерной долей смеси.[2] Модель также принимает во внимание дополнительное предположение, что массовые коэффициенты диффузии всех частиц равны.[3] Благодаря этому дополнительному предположению модель решает только одно дополнительное дифференциальное уравнение в частных производных для фракции смеси, и после решения уравнения переноса для фракции смеси рассчитываются соответствующие массовые доли для топлива и окислителя.

Эта модель может быть очень хорошо применена к среде горения, где преобладают эффекты ламинарной диффузии, а горение протекает через потоки топлива и окислителя без предварительного смешивания, диффундирующие друг в друга, вызывая ламинарное пламя.[1]

Модель разрушения Эдди

Основная статья: Модель разрушения вихрей для горения
Моделирование камеры сгорания банки с использованием модели рассеяния вихрей.

Эта модель используется, когда турбулентное перемешивание составляющих должны быть приняты во внимание. Шкала турбулентного времени k / используется для расчета скорости реакции. Проводится сравнение турбулентных скоростей рассеяния топлива, окислителя и продуктов, и в качестве скорости реакции принимается минимальный из всех возможных. Уравнения переноса для массовых долей составляющих решаются с использованием этой скорости реакции.[1] Помимо этого также решается уравнение средней энтальпии и соответственно рассчитываются температура, плотность и вязкость. Модель также может быть реализована, когда необходимо моделировать реакцию с конечной скоростью, кинетически управляемую. В такой ситуации при принятии решения о скорости реакции также принимается во внимание выражение кинетической скорости Аррениуса, и скорость реакции берется как минимальная среди скоростей турбулентной диссипации всех составляющих и выражения кинетической скорости Аррениуса.[2] Поскольку турбулентное перемешивание определяет характеристики этой модели, существует предел качества моделирования горения в зависимости от типа турбулентной модели, реализованной для представления потока. Модель также может быть изменена для учета перемешивания тонких структур во время турбулентной реакции. Эта модификация модели приводит к модели вихревой диссипации, в расчетах которой учитывается массовая доля тонких структур.[1]

Ламинарная модель флейма

Основная статья: Ламинарная модель флейма

Эта модель аппроксимирует турбулентное пламя как серию ламинарных областей пламени, сосредоточенных только вокруг стехиометрических поверхностей реагирующей смеси.[1] В этой модели используются экспериментальные данные для определения взаимосвязей между рассматриваемыми переменными, такими как массовая доля, температура и т. Д. Характер и тип зависимости переменных предсказывается с помощью экспериментальных данных, полученных во время эксперимента с ламинарным диффузионным пламенем, а соотношение ламинарного флеймлета определяется на основе тоже самое. Эти соотношения затем используются для решения уравнений переноса для массовой доли веществ и состава смеси.[2] Модель вполне может быть реализована для ситуаций, когда необходимо рассчитать концентрацию второстепенных примесей при горении, как при количественном определении образования загрязняющих веществ.[1] Простое усовершенствование модели приводит к модели с временным масштабом флеймлета, в которой учитывается эффект конечной кинетики скорости. Модель в масштабе времени с пламенем создает устойчивое ламинарное решение с пламенем, когда реакция протекает очень быстро, и учитывает эффекты конечной скорости, когда доминирует химический состав реакции.[4]

Предполагаемая модель функции распределения вероятностей

Эта модель учитывает статистический подход к вычислению таких переменных, как массовые доли компонентов, температура и плотность, при этом состав смеси рассчитывается по сеткам.[2] Затем все эти переменные вычисляются как функции от доли смеси вокруг предполагаемой функции распределения вероятностей.[1][5] Модель может дать удовлетворительные результаты для турбулентных реактивных потоков, где преобладают эффекты конвекции, обусловленные средними и флуктуирующими компонентами скорости.[6] Модель может быть расширена как для адиабатических, так и для неадиабатических условий.

Условное закрытие момента

Замыкание с условным моментом (CMC) - это усовершенствованная модель горения. Основная идея состоит в том, чтобы смоделировать химический источник на основе условные средние. Модель была впервые введена для потоков без предварительного смешивания, и, следовательно, кондиционирование осуществляется во фракции смеси.[7]

Другие модели

Ниже приведены некоторые из других соответствующих моделей, используемых для вычислительного гидродинамического моделирования горения.

Модель химического равновесия учитывает влияние промежуточных реакций при турбулентном горении.[1] Концентрация компонентов рассчитывается, когда реакция горения достигает состояния равновесия. Концентрация компонентов рассчитывается как функция фракции смеси путем использования определенных программ расчета равновесия, доступных для этой цели. Модель условного закрытия решает уравнения переноса для средних компонентов свойств потока без учета флуктуирующего состава реакционной смеси.[6]

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k «Введение в вычислительную гидродинамику - метод конечных объемов» Х.К. Versteeg и W.Malalasekara Pearson Education limited.стр. 357
  2. ^ а б c d е ж г Введение в вычислительную гидродинамику - метод конечных объемов »Х.К. Верстиг и В. Малаласекера Longman Group limited.стр.210
  3. ^ http://www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/d_lecs/general/combust.htm#2
  4. ^ 9-rao-rutland.pdf --- «Модель горения Flamelet Time Scale для турбулентного горения в KIVA» Шрикант Рао и Кристофер Дж. Ратланд (Центр исследований двигателей, UW Madison.)
  5. ^ Pope_NACM_91.pdf - «Моделирование горения методами функции плотности вероятности» С.Б.Поуп.
  6. ^ а б Pope_ACAC_97.pdf --- «Моделирование турбулентного горения: флуктуации и химия (расширенные вычисления и анализ горения: 310-320)» С. Б. Поп (Школа механической и аэрокосмической инженерии Сибли Корнельского университета, Итака, штат Нью-Йорк).
  7. ^ Кант, Р. И Масторакос, Э. Введение в турбулентные реагирующие потоки. Imperial College Press, Лондон. 2007 г.