Verbrennungsmodelle für CFD

Verbrennungsmodelle für CFD bezieht sich auf Verbrennungsmodelle für Computerflüssigkeitsdynamik. Verbrennung ist definiert als eine chemische Reaktion, bei der ein Kohlenwasserstoffbrennstoff mit einem Oxidationsmittel zur Bildung von Produkten reagiert, begleitet mit der Freisetzung von Energie in Form von Wärme. Als integraler Bestandteil verschiedener technischer Anwendungen wie: Verbrennungsmotoren, Flugzeugmotoren, Raketenmotoren, Öfenund Kraftwerkskräfte, Verbrennung manifestiert sich als breite Domäne während der Stufe von Design-, Analyse- und Leistungsmerkmalen der oben genannten Anwendungen.^[1] Mit der zusätzlichen Komplexität der chemischen Kinetik und der Erreichung der Reaktionsflussmischungsumgebung muss eine ordnungsgemäße Modellierungsphysik während dessen integriert werden Computerflüssigkeitsdynamik (CFD) Verbrennungsimulationen. Die folgende Diskussion enthält daher einen allgemeinen Überblick über die verschiedenen angemessenen Modelle, die mit dem dynamischen Code von Computational Fluid integriert sind, um den Verbrennungsvorgang zu modellieren.^[2]

Überblick

Die Modellierung von Verbrennungen der Computerflüssigkeitsdynamik fordert die ordnungsgemäße Auswahl und Implementierung eines Modells auf, das für die treue Darstellung des komplexen physikalischen und chemischen Phänomens, das mit einem Verbrennungsprozess verbunden ist, treu darstellt. Das Modell sollte kompetent genug sein, um Informationen im Zusammenhang mit der Artenkonzentration, ihrer volumetrischen Erzeugung oder Zerstörungsrate sowie Änderungen der Parameter des Systems wie Enthalpie, Temperatur und Mischdichte zu liefern. Das Modell sollte in der Lage sein, die allgemeinen Transportgleichungen für Flüssigkeitsfluss und Wärmeübertragung sowie die zusätzlichen Gleichungen der Verbrennungschemie zu lösen und Chemische Kinetik in diese gemäß der gewünschten Simulationsumgebung eingebaut^[1]

Kritische Überlegungen im Verbrennungsphänomen

Die Hauptüberlegung während eines allgemeinen Verbrennungsprozesses umfasst die Mischzeitskala und die für den Prozess verstrichene Zeitskala. Der Flammenart und die Art der Mischung von Flussströmen der Bestandteile müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Abgesehen von der kinetischen Komplexität der Reaktion erfolgt die Reaktion in mehreren Schritten und eine einfache Reaktion mit einer Linie wird nach einer Reihe von Reaktionen tatsächlich abgeschlossen.^[1][2] Auch die Transportgleichungen für Massenfraktionen aller Arten sowie die während der Reaktion erzeugte Enthalpie müssen gelöst werden. Daher beinhaltet selbst die einfachste Verbrennungsreaktion eine sehr mühsame und strenge Berechnung, wenn alle Zwischenschritte des Verbrennungsprozesses, alle Transportgleichungen und alle Flussgleichungen gleichzeitig erfüllt werden müssen. Alle diese Faktoren haben einen signifikanten Einfluss auf die Rechengeschwindigkeit und -zeit der Simulation. Aber mit ordnungsgemäßer Vereinfachung der Annahmen kann die dynamische Modellierung der Verbrennungsreaktion ohne wesentliche Kompromisse über die Genauigkeit und Konvergenz der Lösung erfolgen.^[2] Die dafür verwendeten grundlegenden Modelle werden in den folgenden Absätzen behandelt.

Einfaches chemisch -reagierendes Systemmodell

Dieses Modell berücksichtigt nur die Endkonzentration von Arten und berücksichtigt nur die globale Natur des Verbrennungsprozesses, bei dem die Reaktion unendlich schnell als einzelner Schrittprozess ohne große Stress für die detaillierte Kinetik verläuft.^[1]

Es wird angenommen, dass die Reaktanten in reagieren stöchiometrisch Proportionen. Das Modell zieht auch eine lineare Beziehung zwischen den Massenfraktionen von Brennstoff, Oxidationsmittel und der nicht dimensionalen variablen Mischfraktion ab.^[2] Das Modell berücksichtigt auch eine zusätzliche Annahme, dass die Massendiffusionskoeffizienten aller Arten gleich sind.^[3] Aufgrund dieser zusätzlichen Annahme löst das Modell nur eine zusätzliche partielle Differentialgleichung für die Mischfraktion und nach der Lösung der Transportgleichung für die Mischfraktion werden die entsprechenden Massenfraktionen für Kraftstoff und Oxidationsmittel berechnet.

Dieses Modell kann sehr gut auf eine Verbrennungsumgebung angewendet werden, in der laminare Diffusionseffekte dominant sind und die Verbrennung über nicht vorgemischte Brennstoff und Oxidationsmittelströme verläuft, die ineinander diffundieren, was zu einer laminaren Flamme führt.^[1]

Eddy Break -up -Modell

Simulation von Can Complustor unter Verwendung des Eddy -Dissipationsmodells.

Dieses Modell wird verwendet, wenn die turbulente Mischung der Bestandteile berücksichtigt werden muss. Die turbulente Zeitskala k/ɛ wird verwendet, um die Reaktionsrate zu berechnen. Ein Vergleich zwischen den turbulenten Dissipationsraten des Brennstoffs, des Oxidationsmittels und der Produkte erfolgt und das Minimum unter allen wird als Reaktionsgeschwindigkeit angenommen. Die Transportgleichungen für die Massenfraktionen der Bestandteile werden unter Verwendung dieser Reaktionsgeschwindigkeit gelöst.^[1] Abgesehen davon wird auch eine mittlere Enthalpiegleichung gelöst und Temperatur, Dichte und Viskosität werden entsprechend berechnet. Das Modell kann auch implementiert werden, wenn eine kinetisch kontrollierte Reaktion der endlichen Rate simuliert werden soll. In einer solchen Situation wird bei der Entscheidung der Reaktionsrate auch die kinetische Arrhenius -Kinetik -Expression berücksichtigt und die Reaktionsrate unter den turbulenten Dissipationsraten aller Bestandteile und der Arrhenius -kinetischen Rate -Expression als Minimum angenommen.^[2] Da das turbulente Mischen die Eigenschaften dieses Modells regelt, gibt es eine Grenze für die Qualität der Verbrennungssimulation, abhängig von der Art des turbulenten Modells, das zur Darstellung des Flusses implementiert ist. Das Modell kann auch geändert werden, um die Mischung feiner Strukturen während der turbulenten Reaktion zu berücksichtigen. Diese Modifikation des Modells führt zum Wirbeldissipationsmodell, das den Massenanteil der feinen Strukturen in seinen Berechnungen berücksichtigt.^[1]

Laminar Flamelet Modell

Dieses Modell nähert sich der turbulenten Flamme als eine Reihe von laminaren Flameletregionen, die sich direkt um die stöchiometrischen Oberflächen des reagierenden Gemisches konzentrierten.^[1] Dieses Modell nutzt die Verwendung experimenteller Daten zur Bestimmung der Beziehungen zwischen den Variablen, die als Massenanteil, Temperatur usw. betrachtet werden das Gleiche. Diese Beziehungen werden dann verwendet, um die Transportgleichungen für die Artenmassenfraktion und die Zusammensetzung der Mischung zu lösen.^[2] Das Modell kann sehr gut in Situationen implementiert werden, in denen die Konzentration kleinerer Arten in der Verbrennung wie die Quantifizierung der Erzeugung von Schadstoffen berechnet werden soll.^[1] Eine einfache Verbesserung des Modells führt zum Flamelet -Zeitskala -Modell, das die Kinetik -Effekt der endlichen Rate berücksichtigt. Das Flamelet -Zeitskala -Modell erzeugt eine stetige laminare Flameletlösung, wenn die Reaktion sehr schnell verläuft und die endlichen Rateffekte erfasst, wenn die Reaktionschemie dominiert.^[4]

Vermutete Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionsmodell

Dieses Modell berücksichtigt einen statistischen Ansatz zur Berechnung der Variablen wie Speziesmassenfraktionen, Temperatur und Dichte, während die Mischzusammensetzung an den Gittern berechnet wird.^[2] Dann werden alle Variablen als Funktionen der Mischfraktion um eine vermutete Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion berechnet.^[1][5] Das Modell kann zufriedenstellende Ergebnisse für turbulente reaktive Flüsse erzielen, bei denen Konvektionseffekte aufgrund von mittleren und schwankenden Geschwindigkeitskomponenten dominieren.^[6] Das Modell kann sowohl für adiabatische als auch für nicht adiabatische Bedingungen erweitert werden.

Bedingter Moment Schließung

Conditional Moment Closeure (CMC) ist ein fortgeschrittenes Verbrennungsmodell. Die Grundidee besteht darin, die chemische Quelle basierend auf zu modellieren bedingte Durchschnittswerte. Das Modell wurde zunächst für nicht premxierte Strömungen eingeführt und daher erfolgt die Konditionierung in der Mischfraktion.^[7]

Andere Modelle

Das Folgende sind einige der anderen relevanten Modelle, die für die dynamische Modellierung der Verbrennung von rechnerischen Flüssigkeiten verwendet werden.

• Das chemische Gleichgewichtsmodell
• Das Flamelett erzeugte Verteiler Modell
• Das Modell der Flammenoberflächendichte
• Das große Eddy -Simulationsmodell

Das chemische Gleichgewichtsmodell berücksichtigt die Wirkung von Zwischenreaktionen während der turbulenten Verbrennung.^[1] Die Spezieskonzentration wird berechnet, wenn die Verbrennungsreaktion den Gleichgewichtszustand erreicht. Die Spezieskonzentration wird als Funktion der Mischfraktion berechnet, indem bestimmte Gleichgewichtsberechnungsprogramme bereitgestellt werden, die zur Verfügung stehen, um den Zweck zu erfüllen. Das bedingte Verschlussmodell löst die Transportgleichungen für die mittleren Komponenten der Durchflusseigenschaften, ohne die schwankende Zusammensetzung des Reaktionsgemisches zu berücksichtigen.^[6]

Verweise