Модели сгорания для CFD
Модели сгорания для CFD относятся к моделям сгорания для вычислительной гидродинамики . Горение определяется как химическая реакция, в которой углеводородное топливо реагирует с окислителем с образованием продуктов, сопровождающаяся выделением энергии в виде тепла. Являясь неотъемлемой частью различных инженерных приложений, таких как двигатели внутреннего сгорания , авиационные двигатели , ракетные двигатели , печи и камеры сгорания электростанций , сгорание проявляется как широкая область на этапах проектирования, анализа и определения эксплуатационных характеристик вышеупомянутых приложений. [1] необходимо учитывать правильную физику моделирования Учитывая дополнительную сложность химической кинетики и создание среды реагирующего потока смеси, во время вычислительного гидродинамического (CFD) моделирования горения . Таким образом, следующее обсуждение представляет собой общий обзор различных адекватных моделей, включенных в программу вычислительной гидродинамики для моделирования процесса горения. [2]
Обзор [ править ]
Вычислительное гидродинамическое моделирование горения требует правильного выбора и реализации модели, подходящей для точного представления сложного физического и химического явления, связанного с любым процессом горения. Модель должна быть достаточно компетентной, чтобы предоставлять информацию, связанную с концентрацией веществ, их объемной скоростью образования или разрушения, а также изменениями параметров системы, таких как энтальпия, температура и плотность смеси. Модель должна быть способна решать общие уравнения переноса потока жидкости и теплопередачи, а также дополнительные уравнения химии горения и химической кинетики, включенные в нее в соответствии с желаемой средой моделирования. [1]
явления горения относительно соображения Критические
Основное внимание при любом обычном процессе сгорания включает в себя шкалу времени смешивания и шкалу времени реакции, затраченного на этот процесс. Также необходимо учитывать тип пламени и тип смешивания потоков компонентов. Помимо этого, что касается кинетической сложности реакции, реакция протекает в несколько этапов, и то, что кажется простой однолинейной реакцией, на самом деле завершается после серии реакций. [1] [2] Также необходимо решить уравнения переноса массовых долей всех веществ, а также энтальпии, образующейся в ходе реакции. Следовательно, даже самая простая реакция горения требует очень утомительных и строгих расчетов, если все промежуточные этапы процесса горения, все уравнения переноса и все уравнения потока должны выполняться одновременно. Все эти факторы окажут существенное влияние на скорость вычислений и время моделирования. Но при правильных упрощающих предположениях вычислительное гидродинамическое моделирование реакции горения может быть выполнено без существенного ущерба для точности и сходимости решения. [2] Базовые модели, используемые для этого, описаны в следующих параграфах.
модель химической реагирующей системы Простая
Эта модель учитывает только конечную концентрацию частиц и принимает во внимание только глобальный характер процесса горения, при котором реакция протекает бесконечно быстро как одностадийный процесс без особого внимания к подробной кинетике. [1]
Предполагается, что реагенты реагируют в стехиометрических пропорциях. Модель также выводит линейную зависимость между массовыми долями топлива, окислителя и безразмерной переменной долей смеси. [2] Модель также учитывает дополнительное предположение о том, что коэффициенты массовой диффузии всех частиц равны. [3] Благодаря этому дополнительному предположению модель решает только одно дополнительное уравнение в частных производных для фракции смеси, и после решения уравнения переноса для фракции смеси вычисляются соответствующие массовые доли топлива и окислителя.
Эту модель вполне можно применить к среде горения, где преобладают эффекты ламинарной диффузии и горение протекает за счет несмешанных потоков топлива и окислителя, диффундирующих друг в друга, образуя ламинарное пламя. [1]
распада Эдди Модель
Эта модель используется, когда турбулентное перемешивание необходимо учитывать компонентов. Для расчета скорости реакции используется турбулентная шкала времени k/Ɛ. Проводится сравнение скоростей турбулентной диссипации топлива, окислителя и продуктов и за скорость реакции принимается минимальная из всех. С использованием этой скорости реакции решаются уравнения переноса массовых долей компонентов. [1] Помимо этого также решается уравнение средней энтальпии и соответствующим образом рассчитываются температура, плотность и вязкость. Модель также может быть реализована, когда необходимо смоделировать кинетически контролируемую реакцию с конечной скоростью. В такой ситуации при определении скорости реакции также учитывается кинетическое выражение скорости Аррениуса и скорость реакции принимается как минимальная среди скоростей турбулентной диссипации всех компонентов и кинетического выражения скорости Аррениуса. [2] Поскольку турбулентное перемешивание определяет характеристики этой модели, существует предел качества моделирования горения, зависящий от типа турбулентной модели, реализованной для представления потока. Модель также может быть модифицирована для учета перемешивания тонких структур во время турбулентной реакции. Эта модификация модели приводит к созданию модели вихревой диссипации, которая учитывает массовую долю тонких структур в своих расчетах. [1]
пламени ламинарного Модель
Эта модель аппроксимирует турбулентное пламя как серию ламинарных областей пламени, сосредоточенных непосредственно вокруг стехиометрических поверхностей реагирующей смеси. [1] В этой модели используются экспериментальные данные для определения связей между рассматриваемыми переменными, такими как массовая доля, температура и т. д. Характер и тип зависимости переменных прогнозируются на основе экспериментальных данных, полученных в ходе эксперимента с ламинарно-диффузионным пламенем, а зависимость ламинарного пламени выводится на основе одинаковый. Эти соотношения затем используются для решения уравнений переноса массовой доли компонентов и состава смеси. [2] Модель вполне может быть реализована в ситуациях, когда необходимо рассчитать концентрацию второстепенных частиц при сжигании, аналогично количественной оценке образования загрязняющих веществ. [1] Простое расширение модели приводит к созданию модели временного масштаба пламени, которая учитывает эффект кинетики конечной скорости. Модель временного масштаба пламени дает устойчивый ламинарный раствор пламени, когда реакция протекает очень быстро, и учитывает эффекты конечной скорости, когда доминирует химия реакции. [4]
распределения Модель предполагаемой функции вероятностей
Эта модель учитывает статистический подход для расчета таких переменных, как массовые доли компонентов, температура и плотность, при этом состав смеси рассчитывается на сетках. [2] Затем все эти переменные рассчитываются как функции доли смеси вокруг предполагаемой функции распределения вероятностей . [1] [5] Модель может давать удовлетворительные результаты для турбулентных реактивных потоков, где преобладают эффекты конвекции, обусловленные средними и пульсирующими компонентами скорости. [6] Модель может быть расширена как для адиабатических, так и для неадиабатических условий.
Условное закрытие момента [ править ]
Закрытие условного момента (CMC) — это усовершенствованная модель сгорания. Основная идея заключается в моделировании химического источника на основе условных средних значений . Модель была впервые представлена для потоков без предварительного смешивания, и, следовательно, кондиционирование осуществляется во фракции смеси. [7]
Другие модели [ править ]
Ниже приведены некоторые другие соответствующие модели, используемые для вычислительного гидродинамического моделирования сгорания.
- Модель химического равновесия
- Flamelet многообразия, сгенерированная Модель
- Модель поверхностной плотности пламени
- вихря Имитационная модель большого
Модель химического равновесия учитывает влияние промежуточных реакций при турбулентном горении. [1] Концентрация частиц рассчитывается, когда реакция горения достигает равновесного состояния. Концентрация видов рассчитывается как функция фракции смеси с помощью определенных программ расчета равновесия, доступных для этой цели. Модель условного замыкания решает уравнения переноса для средних компонентов свойств потока без учета изменяющегося состава реакционной смеси. [6]
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к «Введение в вычислительную гидродинамику - метод конечных объемов» Х. К. Верстег и В. Малаласекара Pearson Education Limited. стр. 357.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Введение в вычислительную гидродинамику — метод конечного объема». Х. К. Верстег и В. Маласекера Лонгман Груп лимитед. стр. 210.
- ^ «Комбуст.ХТМ» .
- ^ 9-rao-rutland.pdf --- «Модель сгорания в масштабе времени Flamelet для турбулентного сгорания в KIVA» Шрикант Рао и Кристофер Дж. Ратленд (Центр исследований двигателей, Университет Висконсина, Мэдисон).
- ^ Pope_NACM_91.pdf — «Моделирование горения с использованием методов функции плотности вероятности» SBPope.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Pope_ACAC_97.pdf --- «Моделирование турбулентного горения: флуктуации и химия (расширенные вычисления и анализ горения: 310-320)» SBPope (Школа машиностроения и аэрокосмической техники Сибли Корнельского университета, Итака, штат Нью-Йорк).
- ^ Кант, Р.С. и Масторакос, Э. Введение в турбулентные реагирующие потоки . Издательство Имперского колледжа, Лондон. 2007.