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Fluent案例|煤粉燃烧

内容纲要

本案例演示利用Fluent中的Eddy Dissipation模型计算煤粉燃烧过程。

主要内容包括:
  • 建立煤燃烧仿真模型
  • 使用Eddy Dissipation模型
  • 使用合适参数求解计算模型
  • 计算后处理

1 问题描述

计算模型如下图所示,燃烧炉包含两个环形入口及一个圆形出口,考虑模型的对称性,选择几何模型的四分之一作为计算模型。入口内环内径及外径分别为0.055 m和0.067 m,外环入口的内、外半径分别为0.07 m和0.117 m,出口半径为0.425米。
煤及载体空气通过内环区域进入燃烧室,高温旋转的二次空气通过外环区域进入,燃烧生成物通过压力出口流出计算区域。
燃烧炉整体模型如图所示。

燃烧炉入口如下图所示。

2 Fluent设置

  • 3D、Double Precision方式启动Fluent

  • 利用菜单File → Read → Mesh…读取网格文件coal-ebu.msh.gz

2.1 General设置

采用默认设置。

2.2 Models设置

  • 激活能量方程

  • 激活Standard k-epsilon(2 eqn)湍流模型

  • 激活组分输运模型鼠标双击模型树节点Models > Species,弹出设置对话框,如下图所示设置组分输运模型。
    • 激活选项Species Transport
    • 激活选项Volumetric
    • 选择Mixture Material列表项coal-hv-volatiles-air
    • 选择模型Eddy-Dissipation
    • 点击OK按钮关闭对话框

  • 激活DO辐射模型鼠标双击模型树节点Models > Radiation弹出设置对话框,如下图所示激活DO辐射模型
    • 激活选项Discrete Ordinates(DO)
    • 设置参数Energy Iterations per Radiation Iteration1
    • 指定Theta Divisions及Phi Divisions4,指定Theta Pixels及Phi Pixels3
    • 点击OK按钮关闭对话框

  • 激活离散相模型鼠标双击模型树节点Models > Discrete Phase打开设置对话框,如下图所示设置参数
    • 激活选项Interation with Continuous Phase
    • 激活选项Specify Length Scale,指定参数Length Scale0.0025 m
    • 点击OK按钮关闭对话框

2.3 创建颗粒入射

  • 鼠标双击模型树节点Discrete Phase > Injections弹出Injections设置对话框,点击Create按钮打开入射定义对话框

  • 如下图所示定义参数
    • 设置Injection TypeSurface,指定Release From Surfacesv-1
    • 设置Particle TypeCombusting
    • 指定Materialcoal-hv,设置Devolatilizing Specieshv_vol
    • 设置Z-Velocity23.11 m/sDiameter1e-6 mTemperature343 KToal Flow Rate0.00018264 kg/s

  • 切换至Turbulent Dispersion标签页,激活选项Discrete Random Walk Model,设置参数Number of Tries10,点击OK按钮关闭对话框

  • 在Injections对话框中,选中injection-0,点击按钮Copy弹出设置对话框

  • 按下图所示参数创建剩下的8个入射器

创建完毕后的injections对话框如下图所示。

2.4 Materials设置

1、添加材料co
  • 从材料库中添加材料carbon-monoxide (co)

2、将co添加到混合物coal-hv-volatiles-air中
  • 鼠标双击模型树节点Materials > Mixture > coal-hv-volatiles-air弹出材料设置对话框
  • 点击Mixture Species右侧的Edit…按钮弹出组分定义对话框
  • 如下图所示添加组分co,并确保n2组分在列表项的最下方

t添加完毕的组分列表如下图所示。

3、定义化学反应
  • 鼠标双击模型树节点Materials > Mixture > coal-hv-volatiles-air弹出材料设置对话框
  • 点击Reaction右侧的Edit…按钮弹出组分定义对话框
  • 定义2个化学反应,按下表所示参数指定第1个反应

反应定义完毕的对话框如下图所示。

  • 按下表所示参数指定第2个化学反应

定义完毕后对话框如下图所示。点击OK按钮关闭对话框

  • 修改混合物的其他参数,如下图所示

  • 完成修改后的材料参数对话框如下图所示

4、修改煤粉材料参数
  • 鼠标双击模型树节点Materials > Comusting Particle > coal-hv弹出材料设置对话框,按下图参数进行设置

定义完毕后的材料设置对话框如下图所示。

5、修改其他材料参数
  • 设置材料o2, co2, h2o, co及n2的cp参数为piecewise-polynomial
  • 设置材料coal-hv-volatilesMolecular Weight50,指定Standard State Enthalpy-1.8474e7

2.5 编译UDF

本案例利用UDF指定进出口参数,该UDF可以利用解释的方式运行。
  • 右键选择模型树节点User Defined Functions,点击弹出菜单项Interpreted…打开UDF解释对话框

  • 添加文件coal-ebu.c,点击按钮Interpret解释源文件

2.6 设置边界条件

1、V-1边界设置

设置完毕后如下图所示。

2、v-2边界设置

定义完毕后如下图所示。

3、p-1边界设置

4、其他壁面边界设置

3 冷态场计算

由于案例中包含了众多复杂的物理模型,直接进行计算的话有可能收敛性较差,这里可以先进行冷态场计算,并以此计算结果作为初始值。
  • 关闭组分输运模型

  • 关闭DO辐射模型

  • 关闭离散相模型

  • 初始化

  • 迭代100次

4 燃烧计算

4.1 激活模型

  • 激活组分输运模型
  • 激活离散相模型
  • 激活DO模型
注意检查模型激活后的参数。为控制收敛性,可适当调整亚松弛因子。考虑到模型计算的复杂性,可一步步激活物理模型,不建议一次将三个模型全部激活。

4.2 Patch高温区域

  • 右键选择模型树节点Cell Registers,点击弹出菜单项New → Region…打开设置对话框

  • 如下图所示标记一个圆柱形区域

  • 进入初始化面板,点击Patch按钮,在打开的对话框中指定标记区域的温度为2000 K,如下图所示

  • 修改材料coal-hv的Vaporization Temperature为773 K
  • 迭代计算1000

5 计算结果

  • 周期面上温度分布

  • 氧气浓度分布


文件链接:

https://pan.baidu.com/s/1BzRsotrjuN-qFHejcM4CZQ 
提取码:y7ru

觉得操作步骤不清的,可点击阅读原文链接观看视频。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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文章名称:《Fluent案例|煤粉燃烧》
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  1. #1

    请教老师一个问题:如果已知工业分析与元素分析,应该如何得到对应的stoich coefficent?(我想得到的反应式形式为:hv_vol+O2->CO+H2+CO2+H2O,但通过煤计算器得到的产物不一致)

    shikun8个月前 (11-08)

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