Fluent模拟燃气轮机燃烧室

1、燃气轮机燃烧室的数值模拟中国科学院工程热物理研究所2007.4什么是什么是CFD ?CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。其基本原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。 CFD就是利用计算机技术、数值计算技术发展而来的，相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况，它是现代模拟仿真技术的一种。fluent软件包介绍nFLUENT通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。n采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达

2、到良好的收敛速度和求解精度。n灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械等方面有广泛应用。 FLUENT程序软件包包括以下几个部分uGAMBIT，网格生成uFLUENT解算器 uprePDF，用于模拟PDF燃烧过程 u TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。 uFilters(Translators)，转换其它程序生成的网格，用于FLUENT计算。可以接口的程序包括：ANSYS, I-DEAS, PATRAN等。 FLUENT计算过程FLUENT计算步骤n1， 确定几何形状，生成计算网

3、格（用GAMBIT，也可以读入其它指定程序生成的网格） n2， 选择2D或3D来模拟计算 n3， 输入网格 n4， 检查网格 n5， 选择解法器 n6， 选择求解的方程：层流或湍流（或无粘流），化学组分或化学反应，传热模型等。确定其它需要的模型如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。 n7， 确定流体物性 n8， 指定边界条件 n9， 条件计算控制参数 n10， 流场初始化 n11， 计算 n12， 检查结果 n13， 保存结果，后处理等。 Gambit软件的初始化打开gambit选择求解器正对求解器选择不同的边界条件定义器建立几何模型n利用gambit软件结合普通CAD软件生成几何模型。nGam

4、bit中的图形实体为整个计算区域。网格生成Gambit提供在三维计算中提供六面体、楔形、四面体、棱柱体四种可供选择的网格单元。在这四种网格单元中，四面体对几何形状的适应性最强，同时也最为消耗计算资源，在这里选择四面体网格。边界条件的定义边界条件的定义Specify TypeSpecify Typen选择边界对应的几何体n选择边界的类型.n鼠标直接选取.n对定义好的边界可以再操作n更改、删除.输出网格将网格文件读入fluent将网格数据读入fluent检查网格，保证单元网格没有负体积出现确定网格的几何尺寸以及各参数的单位。定义解算器n对于低速问题，通常选用基于压力耦合的隐式求解器。湍流模型的定义

5、nFluent中提供了多种湍流模型可供选择，包括：单方程（Spalart-Allmaras）模型、双方程模型、雷诺应力模型和大涡模拟。 n在这里选择标准-模型组分模型的定义nFluent中提供了多种组分模型可供选择。n在这里，由于液滴参与燃烧，因此采用非预混模型。n电机确定后提示输入pdf文件，导入pdf文件后系统各组分材料自动导入。非预混模拟方法简介非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的研究。非预混模型允许预测中间（基本）组分、溶解效应和严格的紊流化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。下面几幅图为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统

6、结构。 A.能用单一混合分数模拟的化学反应系统能用单一混合分数模拟的化学反应系统 简单燃料氧化剂扩散火焰c.用多燃料入口的系统b.用多氧化剂入口的扩散系统B.能用二混合分数模拟的化学反应系统结构能用二混合分数模拟的化学反应系统结构 包含两个不同燃料入口系统b.包含两种不同氧化剂入口的系统n流动是湍流。n化学动力学必须迅速以使流动接近化学平衡。n化学反应系统必须是有分离的燃料和氧化剂入口的扩散类型（喷雾（喷射）燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类）。n所有组分和焓的扩散系数相等。是对湍流的良好的近似。n当使用单一混合分数时，必须遵守如下条件 ： （1）仅含一种类型的燃料。燃料可由反应组分（例如，90的C

7、H4和10的CO）的一种燃烧混合物组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必须有同样的成分。不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口为CH4，一个入口为CO）。类似的，在喷雾燃烧系统或包含反应粒子的系统中，仅允许有一种废气。 （2）仅含一种氧化剂。氧化剂可包括一种组分混合物（如，21O2，79N2），可以有多个氧化剂入口。然而，多氧化剂入口必须包含相同的成分。不允许有两个及以上有不同成分的氧化剂入口（如，一个入口为空气，第二而入口为纯氧气入口）。 三三. 非预混模拟方法的限制和特别反应类型非预混模拟方法的限制和特别反应类型 special cases and Restricti

8、ons on the Mixture Fraction Approach非预混方法仅能用于当反应流动系统满足以下要求时：A.限制限制 当使用两个混合分数时，系统中可包含三个流。下面是有效的系统： （1）有两个不同组成的燃料流和一个氧化剂流。每一个燃料流可由一种反应组分混合物组成（例如，90的CH4和10的CO）。可包括每一种燃料流的多入口，但是每一个燃料流入口必须有两种定义的成分中的一种（如，一个入口为CH4-，一个入口为CO）。 （2）包括气液，气煤，或者液煤燃料混合物和一种氧化剂的 混合燃料系统。在拥有气煤或液煤燃料混合物的系统中，煤挥发物和焦炭作为一种单一成分燃料流来对待。 （3）分别对

9、待煤燃烧中的挥发物和焦炭的系统。 （4）含有不同成分的两种氧化剂流和一种燃料流。每一氧化剂流可由一种多组份的混合物组成（例如，21O2，79N2）。每一种氧化剂可以有多入口，但是，每一个氧化剂入口必须含有两种定义成分中的一种（例如，一个入口为空气，第二个入口为纯氧气）。 （5）一个燃料流，一个氧化剂流和一种非反应次要流。 注意：非预混模型仅能由分离求解器求解，不支持耦合求解器求解。注意：非预混模型仅能由分离求解器求解，不支持耦合求解器求解。 B.特别反应类型特别反应类型a.液体燃料或煤燃烧的非预混模型 如果在模拟中包括小液滴或煤颗粒，可以应用非预混模型。 在液体情况下，以求解域里蒸发的液体燃料

10、作为一个燃料混合分数。 在为煤的情况下，挥发物和焦炭产物可被定义为两种不同的燃料类型 （用两个混合分数）或这定义为单一废气成分（用一个混合分数）， b.带有废气循环的非预混模型 非预混模型解决的多数问题只包含纯氧化剂和纯燃料（f=0或f=1）的入口，当有废气循环时，情况发生变化。有一个混合分数中间值（0f程序Fluent Inc PrePDF4.02（对 FLUENT6.0 版），则进入 PrePDF 环境。 n（2）Allocate Memory首先为计算的问题设置数组空间和分配内存等，如下：SetupMemory Allocation 根据所要计算的问题进行设置 n根据计算问题设置nset

11、upCasen若在 Chemistry models 中选择 Laminar Flamelets定义要考虑的化学组分 nSetupSpecies定义燃料和氧化剂的初始组分 nSetupSpeciesComposition定义Operating Conditions及化学计量系数定义创建的PDF表中所用的参数 输出pdf文件n将输入保存到文件中nFileWriteInputn计算并生成PDF表nCalculate PDF Tablen将PDF表保存到文件中nFile Write PDF基本的边界类型n外部面n一般一般: Pressure inlet, Pressure outletn不可压不可压

12、: Velocity inlet, Outflown可压可压: Mass flow inlet, Pressure far-fieldn特殊特殊: Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fann其它其它: Wall, Symmetry, Periodic, Axisn单元、区域nFluid and Solidn相交面nFan, Interior, Porous Jump, Radiator, WallsinletoutletwallinteriorOrifice_plate and orifice_plate-shadow重新定义边界条件n一

13、般边界条件在预处理软件中定义.n可以在Fluent中更改:Define Boundary Conditions.n选择要更改的几何体n从Type中选择新的类型.给定边界条件参数n在 BC panels中直接赋值.n给选定的边界设定:n从Zone菜单中选择边界.n点击Set按钮n利用Copy按钮可以复制边界条件.n边界条件的内容可以存盘， 也可以读入.nfile write-bc and file readn利用 UDFs and Profiles可以 定义复杂的边界条件Velocity Inletn定义类型:nMagnitude, Normal to BoundarynComponentsnM

14、agnitude and Directionn默认值为均匀流动n适用于 incompressible flows.nStatic pressure 相应分布.nTotal pressure 同样n用于 compressible flows 将有可能导致非物理解.n速度设定为负值时，可以用来表示出口.n但是必须要保证流量平衡.Pressure Inlet (1)n参数确定:nTotal Gauge Pressuren驱使流体运动的能量.nStatic Gauge Pressuren超音速流动时静压; n亚音速时忽略n从该边界初始化时有用nTotal Temperaturen对于不可压流作为静温.

15、nInlet Flow Direction21(1)2totalstatickTTM2/(1),1(1)2kktotal absstatic abskppM221vppstatictotalIncompressible flows:Compressible flows:Pressure Inlet (2)n注意的是 Gauge pressure 必须给定. nOperating pressure 定义: Define Operating Conditionsn同时适用 compressible 和 incompressible flows.nFluent 计算时采用 static pressu

16、re and velocity n通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定.n 可以被用作模拟“Free”面.operatinggaugeabsolutepppMass Flow Inletn参数确定:n(a) Mass Flow Rate or (b) Mass Fluxn(a) 给定恒定的流量n(b) 利用 profiles/UDF定义nStatic Gauge Pressuren超音速有效n该边界初始化有效.nTotal Temperaturen对于不可压流动为静温.nInlet Flow Directionn一般用于 compressible; 也可用于 incompressible

17、flows.nTotal pressure 由输入变量求得.n和 pressure inlet相比.收敛性差Pressure Outletn给定 static gauge pressuren作为出口处的环境压力.n可以定义径向的压力分布.nBackflown收敛过程出现n最终结果如此.n方向是垂直于边界.n适用于 compressible 和 incompressible flowsn在超音速条件下，忽略所给定的压力值.n可以被用来模拟自由流.Outflown不需指定任何速度和压力信息.n由内部区域来传递信息.n边界上保持流量平衡.n在Outflow面上所有参数梯度为零n近似于充分发展流n适用

18、于 incompressible flows.n不能和 Pressure Inlet合用; 入口只能是 velocity inlet.n不能用来模拟密度随时间变化的问题.n当存在回流时，很难收敛n不能模拟最终结果存在回流的物理问题.其它的边界条件nPressure Far Fieldn模拟 ideal gas law下的流动.n通常给定 free-stream Mach number 和静态参数 .nExhaust Fan/Outlet Ventn给定压力损失系数（压力降）以及环境参数nInlet Vent/Intake Fann模拟风扇运动.n给定压力损失系数（压力降）以及环境参数Wall Boundariesn速度：无滑移n切向速度和固壁面速度相等.n法向速度为零n可以定义壁面剪切力.n热边界:n几种不同的条件n包括定义壁面厚度.n定义运动