fluent61的二次開發(fā)在湍流燃燒rans模擬和大渦模擬les）中的應(yīng)用

1、2005 Fluent 中國用戶大會論文集 156 FLUENT 軟件的二次開發(fā)用于 湍流燃燒的 RANS 模擬和大渦模擬（LES）研究 周力行 1，王方 1，胡礫元 1，2，王文麗 1 1． 清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京 100084 2． 上海交通大學(xué)機(jī)械和能源學(xué)院，上海 200024 摘 要: 摘 要: 本文作者們利用 FLUENT 軟件的 UDF/UDS 功能， 對該軟件進(jìn)行了二次開發(fā)， 將我們自己提出的二階矩燃燒模型分

2、別和 FLUENT 軟件對流動(dòng)的雷諾應(yīng)力方程 RANS 模擬和流動(dòng)的大渦模擬（LES）相結(jié)合，加入到該軟件的平臺上，先后分別對甲 烷-空氣旋流擴(kuò)散燃燒、 甲烷-空氣射流擴(kuò)散燃燒以及丙烷-空氣旋流擴(kuò)散燃燒進(jìn)行了 RANS 模擬和大渦模擬， 并且和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對照。研究結(jié)果表明，二階矩燃燒模型的 RANS 模擬結(jié)果優(yōu)于通常廣泛使用的 EBU-Arrhenius 湍流燃燒模型和 簡化 PDF 湍流反應(yīng)模型的結(jié)果。 作為大渦模擬的亞網(wǎng)格

3、燃燒模型， 二階矩燃燒模型也優(yōu)于 EBU-Arrhenius 燃燒模型。 大渦模擬瞬態(tài)結(jié)果揭示了射流和旋流流動(dòng)和擴(kuò)散燃燒的瞬態(tài)湍流結(jié)構(gòu)和火焰結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。 大渦模擬和標(biāo)量 PDF 方程模型對關(guān)聯(lián)量的 統(tǒng)計(jì)結(jié)果證實(shí)了二階矩燃燒模型的封閉模型的合理性。 1．引 ．引 言 尋求經(jīng)濟(jì)而合理的湍流燃燒模型，是工業(yè)裝置內(nèi)湍流燃燒和污染物生成 CFD 數(shù)值模擬的關(guān)鍵。近年來發(fā)展的直接模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和概率密度函數(shù)（PDF）輸運(yùn)方程模擬

4、比較嚴(yán)格，合理，但是計(jì)算量太大，難以直接應(yīng)用于工程中大尺寸復(fù)雜流動(dòng)中，只適合作為基礎(chǔ)研究手段。層流小火焰模型和條件矩封閉（CMC）模型是比較有希望的模型，正處于發(fā)展過程中，有待實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和進(jìn)一步完善。約 30 年前Spalding 等人發(fā)展的 EBU（EDC），EBU-Arrhenius（E-A）模型及其 Magnusen 修正和簡化（設(shè)定）PDF 模型等 [1]至今仍然被廣泛用于商業(yè)軟件中， 用來預(yù)報(bào)工程裝置中復(fù)雜流動(dòng)的湍流燃燒和 NO

5、 生成。 但是二者給出的預(yù)報(bào)結(jié)果有時(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果出入較大。另一方面，多年前人們就想到了非條件二階矩湍流燃燒模型。它采取類似于湍流模型的封閉方法。早期的二階矩模型 [1]對反應(yīng)率表達(dá)式中的非線性指數(shù)項(xiàng)采取級數(shù)展開近似，假設(shè) E/RT> ，同時(shí) T //T 也并非總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，因此這種級數(shù)展開近似法有嚴(yán)重的誤差。原因是，在流場的大部分地區(qū) E-A 模型事實(shí)上主要考慮了湍流的作用，難以計(jì)入化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，或者有限反應(yīng)率的作用。簡化 P

6、DF 模型用溫度的單變量 PDF 和濃度的單變量 PDF 的乘積對溫度-濃度聯(lián)合 PDF 取近似，低估了湍流反應(yīng)率。近年來我們系統(tǒng)地對二階矩湍流-反應(yīng)模型進(jìn)行了研究，提出了統(tǒng)一二階矩（USM）湍流燃燒/反應(yīng)模型[3]。USM 模型在求解時(shí)均反應(yīng)率時(shí)，對濃度脈動(dòng)關(guān)聯(lián)以及反應(yīng)率系數(shù) k 的脈動(dòng)和濃度脈動(dòng)關(guān)聯(lián)都用統(tǒng)一形式的輸運(yùn)方程加以封閉，同時(shí)考慮了化學(xué)反應(yīng)率對關(guān)聯(lián)量耗散的影響。該模型用于模擬 Sandia 實(shí)驗(yàn)室測量的甲烷-空氣湍流射流燃燒

7、和 NO 生成，取得了很好的效果。為了進(jìn)一步在復(fù)雜流動(dòng)的湍流燃燒中應(yīng)用和檢驗(yàn) USM 模型，我們應(yīng)用 FLUENT 軟件，對其進(jìn)行二次開發(fā)。首先將 USM 湍流燃燒模型通過 UDS/UDF 功能和流動(dòng)的 Reynolds 應(yīng)力方程模型的 RANS 模擬相結(jié)合，加入到 FLUENT 的平臺上，分別對本實(shí)驗(yàn)室測量的甲烷-空氣旋流擴(kuò)散燃燒和 NO 生成以及文獻(xiàn)中測量的丙烷-空氣擴(kuò)散燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬， 將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及 E-A 模型和簡

8、化 PDF 模型的結(jié)果讀對照， 驗(yàn)證 USM2005 Fluent 中國用戶大會論文集 158 ) / 10 027 . 2 exp( 10 119 . 2 8 3 . 1 2 2 . 0 4 2 11 RT Y Y W O CH fu × ? × = ρ（5） 對熱 NO 生成的層流反應(yīng)率采用擴(kuò)展的 Zeldovich 機(jī)理[5]，層流反應(yīng)率的表達(dá)式為 ? ?? ? ??? × = ? + T T Y Y

9、 W O N Th NO 69160 exp 10 35 . 1 1 5 . 0 16 , 2 2 ρ（6） ? ?? ? ?? ? = ? ? ? T Y Y T W O N Th NO 47355 exp 6 . 22 5 . 0 2 1 , 2 2 ρ（7） 該式也可以簡化為如下的一步反應(yīng) ? ?? ? ??? × = T T Y Y W O N Z NO 38440 exp 10 9 3 . 0 2 12 , 2 2

10、ρ（8） 對 NH3轉(zhuǎn)化成的 NO，采用以下反應(yīng)機(jī)理[6]： O H NO O NHO H N NO NH2 2 32 2 3 6 4 5 46 5 6 4+ ? ++ ? +（9） 對應(yīng)的燃料 NO 層流反應(yīng)率表達(dá)式為： ? ?? ? ??? × =? ?? ? ??? × =+?T Y Y WT Y Y WO NH fuel NONO NH fuel NO50000 exp 10 23 . 525000 exp

11、10 05 . 12 332 22 ,2 16 ,ρρ（10） 4. EBU-Arrhenius 燃燒模型和簡化 燃燒模型和簡化 PDF 的 NO 湍流 湍流-反應(yīng)模型 反應(yīng)模型 為了對照不同的湍流-反應(yīng)模型， 同時(shí)采用廣泛應(yīng)用的 E-A 湍流燃燒模型和簡化 PDF 的 NO 湍流反應(yīng)率模型 [1]。E-A 湍流燃燒模型的表達(dá)式是 ] , min[ sT sA s w w w =（11） 其中 ) / exp( 2 122 12 T

12、R E Y Y B Y Y k wsA ? = = ρ ρ（12） ? ? ?? ? ?+ ? = β βε ρ 1 , , min 2 4 P EBU O CH EBU sT Y B Y Y k A w（13） 此處，β是化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比，一般 AEBU取為 4.0、BEBU取為 0.5。 簡化概率密度函數(shù)模型 NO 生成的時(shí)均反應(yīng)率為： ∫∫ = 2 2 2 ) ( ) ( ) , ( 2 1 O O O NO NO dTdY